Authors:	Borie, Benjamin
Title:	The propagation and nucleation of magnetic domain walls in multi-turn counter sensor devices
Online publication date:	4-Jul-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Magnetic domain walls are quasi-particles indicating the rotation of the magnetization direction on a constrained length scale. In magnetic nanoconduits, domain walls can be manipulated by an applied magnetic field, and the dynamics of the various processes occurring is still under active investigation. Despite being a state of the art research topic, domain walls are already utilized in nonvolatile sensors. In this sensor type, domain walls allow a true power on functionality as demanded by the industry for improved automatization. Currently, the field operating window of these sensors remains limited due to the lack of physical understanding of the parameters controlling it. This gap in our knowledge hinders an improvement of current devices and therefore blocks a route to a higher scaling of the technology. In this thesis, we present a detailed study of the propagation and the nucleation of domain walls in various looping structures relevant for applications and realize innovative concepts for the advancement of the field. To grasp insight on the physics controlling the propagation and nucleation field values, parameters such as the cross-sectional shape, the thickness, and the width of wires, as well as material stack, deposition conditions, and patterning processes, are modified. Applied field sequences are created that allow the comfortable measurement of both field values with a various range of measurement techniques such as the magneto-optical Kerr effect or the giant magneto-resistance effect. The propagation field of domain walls appears mostly insensitive to geometrical changes but affected by changes of the material used as the conduit. The propagation of domain walls shows a much higher sensitivity to pinning sites created by defects of the patterning processes thus constituting a challenge due to their arbitrary occurrence. In contrast, the nucleation field exhibits a large hyperbolic and linear scaling, respectively, with the width and the thickness of the wire thus yielding a more comfortable handle for the improvement of the field operating window. The results appear in good agreement with micromagnetic simulations that allow the identification of the physical processes at the origin of the saturation of the scaling of the nucleation field. Also, the field operating window shows a robustness towards modifications of the deposition conditions but a significant decrease after the use of electron beam patterning. The combination of the results from this comprehensive study highlights the impact of the investigated parameters and enables the systematic tuning of the ones needed for improvement of the field operating window. An innovative concept using the parallel coprime counting of closed-loop structures is then introduced. The closed-loop contains an essential cross-shape element, which appears unreliable under the rotation of an applied field without the placement of a syphon element on each arm of the cross. With the use of micromagnetic simulations, the individual angular dependence of the cross and the syphon are generated. The obtained physical processes provide with the field operation windows of the device concept for each element. The overlapping of their contribution yields a numerically working concept and its dependence on parameters such as syphon angle or cross-center dimension. The idea is then experimentally realized with variations in the cross and syphon geometry, and the results are in good agreement with the simulations. Finally, a complete built device helps to identify the nucleation in the center of the cross as a limiting factor for the improvement of the operating window of this concept, which was not observed in the previous simulations. This experimental realization demonstrates the feasibility of a magnetic domain wall based million-turn counting sensor device. Magnetische Domainwände sind Quasipartikel, welche Umlaufrichtung der Magnetisierung auf einer limitierten Längenskala angeben. In magnetischen Nanoleiterbahnen ist es möglich Domainwände mit einem angelegten magnetischen Feld zu manipulieren. Die hierbei auftretenden verschiedenen Prozesse und ihre Dynamik sind Gegenstand aktueller Forschung. Trotz dieser Tatsache werden Domainwände bereits als essenzieller Bestandteil nichtflüchtiger Sensoren genutzt. Erst der Einsatz von Domainwänden erlaubt diesen Sensoren eine „True Power On“ Funktionalität, welche von der Industrie für eine verbesserte Automatisierung benötigt wird. Derzeit ist das Arbeitsfenster dieser Sensoren stark beschränkt durch den Mangel an Erkenntnissen über die physikalischen Abhängigkeiten der ihn kontrollierenden Parameter. Diese Wissenslücke verhindert eine weitere Verbesserung derzeitiger Geräte und blockiert außerdem eine weitere Entwicklung und Skalierung der Technologie. In dieser Arbeit präsentieren wir eine detaillierte Studie über die Propagation und Nukleation von Domainwänden in verschiedenen Schleifen Strukturen, welche relevant sind für die eigentliche Applikation. Außerdem werden innovative Konzepte der Sensor Geometrien vorgestellt und realisiert, welche ein Voranschreiten der Technologie zu ermöglichen. Um Einsicht in die Physik zu erhalten, welche die Propagations- und Nukleationswerte der Domainwände bestimmt, werden Parameter wie die Dicke, Breite und Profil der magnetischen Leiterbahnen untersucht. Weiterhin werden der Einfluss der Materialzusammensetzung, dessen Herstellungsbedingungen und die Lithographie Prozesse eingehend getestet. Die zum Test verwendeten Magnetfeld Sequenzen ermöglichen eine komfortable Messung der beiden für den späteren Sensor wichtigen Feld Werte mittels verschiedener Messtechniken, wie dem magneto-optischen Kerr-Effekt oder dem Riesenmagnetowiderstand. Die auf diese Weise ermittelten Propagationsfelder der Domainwände scheinen robust gegenüber geometrischen Veränderungen des Leiters zu sein, jedoch stark abhängig von dem benutzten Material. Die Propagation der Domainwand zeigt eine deutlich höhere Sensitivität auf Pinning Stellen, welche durch Defekte im Herstellungsprozess verursacht werden. Durch ihr willkürliches Auftreten stellt der Nachweis dieser Art von Defekten eine besondere Herausforderung dar. Im Gegensatz hierzu finden wir für das Nukleationsfeld eine hyperbolische Abhängigkeit von der Streifenbreite und eine lineare Abhängigkeit von der Schichtdicke des magnetischen Materials. Letzteres erlaubt ein einfaches Anpassen und Verbessern des Arbeitsfensters des Sensors. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit mikromagnetischen Simulationen, was es ermöglicht, die physikalischen Ursachen für die Saturation des Nukleationsfeldes mit zunehmender Dicke zu identifizieren. Untersuchungen bezüglich der Abhängigkeit des Arbeitsfensters des Sensors von den Modifikationen der Depositionsbedingungen ergeben eine Robustheit gegenüber der Variation der Parameter. Einen höheren Einfluss hat hingegen die Benutzung von Elektronenstrahllithographie, welche zu einer deutlichen Verringerung des Arbeitsfensters führt. Die Kombination der Ergebnisse dieser umfassenden Studie hebt die Bedeutung der untersuchten Parameter hervor und ermöglicht es systematisch eben diese den Anforderungen anzupassen, um das Arbeitsfenster für die angepeilte Applikation zu verbessern. Im Anschluss wird ein innovatives Konzept vorgestellt, welches auf dem parallelen Zählen von teilerfremden, geschlossenen Schleifen Strukturen basiert. Diese geschlossenen Schleifen Strukturen beinhalten essenziel wichtige Kreuzungen von Magnetstreifen. Diese Kreuzungen zeigen eine hohe Störanfälligkeit bei der Rotation eines angelegten externen magnetischen Feldes, solange kein zusätzlicher Siphon an jedem Arm der Kreuzung verwendet wird. Mittels mikromagnetischer Simulationen werden die Winkelabhängigkeit dieser Kreuzungen und der Siphon Struktur ermittelt. Die so erhaltenen physikalischen Prozesse erlauben eine Vorhersage für die Arbeitsfenster der Einzelelemente. Die Überschneidung dieser Bereiche ermöglicht es die Arbeitsbereiche des kombinierten Elementes aus Siphons und Kreuzung abzuleiten und ergibt dessen Abhängigkeit von Parameter wie dem Winkel des Siphons oder der Größe der Kreuzung. Diese geometrischen Strukturen werden im Anschluss experimentell realisiert und über Variationen der Kreuzungsgeometrie als auch der des Siphons getestet. Die hierbei ermittelten Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationen. Als letztes werden Arbeiten an einem kompletten Sensor vorgestellt. Aus diesen geht hervor, dass die Nukleation von Domainwänden in der Mitte der Kreuzung ein limitierender Faktor für die Verbesserung des Konzepts ist, was in früheren Simulationen nicht beobachtet wurde. Diese experimentelle Realisierung demonstriert die Machbarkeit eines magnetischen Domainwand Sensors zur Erfassung von einer Million Umdrehungen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4464
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000020760
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	X, 248 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen