Haifeng Ding

Spin-polarized scanning tunneling microscopy

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 17.10.2001

Abstract
Eine neue magnetische Abbildungstechnik, die spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie wird vorgestellt. Die Technik basiert auf dem Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) zwischen einer ferromagnetischen Spitze und der ferromagnetischen Probe. Indem die Magnetisierung der weichmagnetischen Spitze periodisch umgeschaltet wird und die dabei durch den TMR-Effekt verursachten Schwankungen des Tunnelstroms mittels eines phasensensitiven Verstärkers gemessen werden, können Spin abhängige und Topographie abhängige Anteile des Tunnelstroms getrennt werden und Topographie und magnetische Struktur der Probe gleichzeitig mit hoher lateraler Auflösung abgebildet werden. Über die magnetische Abbildung hinaus kann die Mobilität von Domänenwänden und die magnetische Suszeptibilität der Probe lokal über den frequenzverdoppelten Anteil im Tunnelstrom studiert werden. Wir haben die Struktur der Abschlußdomänen von Co(0001) mit hoher Auflösung abgebildet und haben überraschend scharfe Domänenwände von einer Breite von nur 1.1 nm gefunden. Dieses ist eine Größenordnung schärfer als die bekannten Domänenwände im Inneren eines Co Kristalls. Die scharfen Domänenwände werden mittels eines einfachen, mikromagnetischen Modells erklärt, welches eine Wandbreite von 1.5 nm erwarten läßt. Drüber hinaus wurde der TMR-Effekt als Funktion der Tunnelspannung und des Spitzen-Proben-Abstands gemessen und der Einfluß einer unmagnetischen Au Deckschicht auf den TMR Effekt untersucht. Die Messungen erlauben einen tieferen Einblick in die Mechanismen des spin-polarisierten Tunnelns.

A new magnetic imaging technique, i.e., spin-polarized scanning tunneling microscopy, is presented. The technique is based on the tunneling magneto resistance (TMR) effect between a ferromagnetic tip and a ferromagnetic sample. By periodically changing the magnetization of a magnetically soft tip in combination with lock-in technique, topographic and spin-dependent parts of the tunneling current are separated and the topography and the magnetic structure of the sample can be recorded simultaneously with high resolution. Besides magnetic imaging, dynamic effects like domain wall mobility or the magnetic susceptibility can be studied locally with the double frequency response in the limit of soft magnetic materials or strong stray fields of the tip. We studied the closure domain structure of Co(0001) with high resolution and found surprisingly narrow sections of the wall of 1.1 nm width, over an order of magnitude less than previously observed in bulk Co. The ultra narrow domain walls are explained on the basis of a simple micromagnetic model which predicts a wall width of 1.5 nm. Further, measurements of the TMR versus the tunneling voltage and the tip-to-sample distance as well as the study of the infuence of a nonmagnetic Au layer on the TMR effect give deeper insight into the mechanisms of spin-polarized tunneling.

Keywords:
Rastertunnelmikroskopie, Tunnelmagnetowiderstand, magnetische Abbildung mit hoher lateraler Auflösung, Spektroskopie, spin-polarisiertes Tunneln

scanning tunneling microscopy, tunneling magneto resistance, high resolution magnetic imaging, spectroscopy, spin polarized tunneling

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Inhaltsverzeichnis
Abstract, Zusammenfassung (i-ii)
Contents (iii-iv)
1 Introduction (1-4)
2 Theoretical background (5-14)
3 Experimental setup (15-28)
4 Results and discussion (29-82)
5 Main conclusions and summary (83-86)
Bibliography (87-92)
Appendix (i-xxiv)