Spin-dependent hot electron transport and nanoscale magnetic imaging of metal/Si structures

Abstract

In this work, we experimentally study spin-dependent hot electron transport throughmetallic multilayers (ML), containing single magnetic layers or “spin-valve” (SV) trilayers.For this purpose, we have set up a ballistic electron emission microscope (BEEM),a three terminal extension of scanning tunnelling microscopy on metal/semiconductorstructures. The implementation of the BEEM requirements into the sample fabricationis described in detail. Using BEEM, the hot electron transmission through theML’s was systematically measured in the energy range 1-2 eV above the Fermi level.By varying the magnetic layer thickness, the spin-dependent hot electron attenuationlengths were deduced. For the materials studied (Co and NiFe), they were compared tocalculations and other determinations in the literature. For sub-monolayer thickness,a non uniform morphology was observed, with large transmission variations over subnanometricdistances. This effect is not yet fully understood. In the imaging mode,the magnetic configurations of SV’s were studied under field, focussing on 360◦ domainwalls in Co layers. The effects of the applied field intensity and direction on the DWstructure were studied. The results were compared quantitatively to micromagneticcalculations, with an excellent agreement. From this, it can be shown that the BEEMmagnetic resolution is better than 50 nm.

Σε αυτή την εργασία, μελετήθηκε πειραματικά η μεταφορά θερμών ηλεκτρονίων που εξαρτάται από το σπιν, σεμεταλλικά πολυστρωματικά υμένια, που περιέχουν μεμονωμένα μαγνητικά στρώματα ή τριστρώματα τύπου «βαλβίδας σπιν».Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκε ένα μικροσκόπιο βαλλιστικής εκπομπής ηλεκτρονίων. Οι απαιτήσεις για την υλοποίηση της εν λόγω τύπου μικροσκοπίας περιγράφονται αναλυτικά. Χρησιμοποιώντας το μικροσκόπιο, η μετάδοση θερμού ηλεκτρονίου μέσω των πολυστρωματικών υμενίων μελετήθηκαν συστηματικά στο ενεργειακό εύρος 1-2 eV πάνω από το επίπεδο Fermi.Μεταβάλλοντας το πάχος του μαγνητικού στρώματος, εξήχθησαν οι αποστάσεις εξασθένησης του ρεύματος σπιν. Οι παράμετροι για τα υπό μελέτη υλικά (Co και NiFe), συγκρίθηκαν με αυτές από τη βιβλιογραφία. Για πάχος υπομονοστοιβάδας, παρατηρήθηκε μη ομοιόμορφη μορφολογία, με μεγάλες διακυμάνσεις μετάδοσης έναντι της υπονανομετρικήςαπόστασης. Αυτή η επίδραση δεν είναι ακόμη πλήρως κατανοητή. Στη λειτουργία απεικόνισης,οι μαγνητικές δομές των πολυστρωματικών υμενίων μελετήθηκαν υπό πεδίο, εστιάζοντας στην περιοχή όπου εμφανίζονται τοίχοι 360◦σε στρώματα Co. Μελετήθηκαν οι επιπτώσεις της εφαρμοζόμενης έντασης και κατεύθυνσης μαγνητικού πεδίου στη δομή των τειχών. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν ποσοτικά με μικρομαγνητικούς υπολογισμούς, με εξαιρετική συμφωνία. Αποδεικνύεται ότι η χωρική μαγνητική ανάλυση της μεθόδου είναι καλύτερη από 50 nm.