Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-5704
Authors: Ross, Andrew
Title: Probing magnetostatic and magnetotransport properties of the antiferromagnetic iron oxide hematite
Online publication date: 23-Mar-2021
Language: english
Abstract: With spin dynamics in the THz regime, a lack of stray fields and high stability in the presence of external magnetic fields, antiferromagnets have several benefits over ferromagnets for spintronics applications. The antiferromagnetic state can be used to store information and excitations of the magnetic order can be used for information transfer and processing in low power, high frequency devices. By utilising antiferromagnetic insulators with low magnetic damping as hosts for propagating spin currents, Joule heating in information transfer can be mitigated, overcoming one of the major limiting factors for device downscaling. The work presented in this thesis focusses on two aspects of antiferromagnetic spintronics for the development of real devices; utilising the spin Hall magnetoresistance to probe the magnetostatic properties of the antiferromagnetic state and demonstrating the long-distance transport of antiferromagnetic magnons for information transfer. Making use of antiferromagnetic materials for magnetic bits relies on reliably encoding information into the antiferromagnetic state, parameterised by the Néel vector, which then needs to be read out. The equilibrium position of the magnetic state is determined by the present antiferromagnetic anisotropies which need to be overcome in a controlled manner in order to alter the magnetic state. Approaches to change the magnetic state include spin-orbit torques, thermal processes, strain or magnetic fields. In this thesis the insulating antiferromagnetic iron oxide hematite, the main component of rust, is studied. This readily available antiferromagnetic material is an attractive prospect for spintronics with a low magnetic damping and accessible spin flop field. By electrically detecting the equilibrium position of the Néel vector as a function of magnetic field and temperature in single crystals and thin films of this material, the key antiferromagnetic anisotropies are determined. Although the effective uniaxial anisotropy field in hematite thin films is found to be comparable to single crystals, the effective field generated by the antisymmetric exchange interaction is found to be four times larger due to distortions of the crystal lattice parallel to the c-axis. The growth of thin films of hematite on a substrate leads to an increase of the effective anisotropy field in the basal plane by two orders of magnitude. It is also found that the growth can also lead to a deviation of the antiferromagnetic anisotropy axis, introducing additional signals into the electrical measurements that need to be carefully considered when interpreting the equilibrium orientation of the Néel vector. In pursuing fully antiferromagnetic devices where information transport, processing and storage all take place concurrently, information needs to be preserved over sufficient distances. However, previous reports have demonstrated that magnons coherently travel through antiferromagnets across nanometre distances before all the information is lost, which is too short for logic operations to occur. Therefore in this work this key issueof spin-transport distance is investigated for the chosen hematite systems. The work reveals efficient long-distance spin transport in both the bulk and thin films of hematite, demonstrating that the low magnetic damping of this material is preserved even in thin films. The magnons are excited by either a polarised interfacial spin-bias or by local heating of the magnetic order and are found to be carried by different magnetic order parameters, either the Néel vector or a field induced magnetisation. This sharp distinction between the propagation mechanisms does not exist in ferromagnetic materials and presents an opportunity for the electrical excitation and detection of magnons without parasitic contributions from excess heat. In the presence of a multi-domain state, the magnon transport is observed to attenuate sharply due to the domain walls leading to scattering of incident magnons, where lower frequency magnons are observed to scatter more. Nevertheless, the intrinsic diffusion length scales of both thin film and bulk antiferromagnets are found to be orders of magnitude larger than previously reported. Overall these results demonstrate the feasibility and promise of antiferromagnetic hematite based spintronic devices
Mit Spin-Dynamiken im THz-Regime, dem Fehlen von Streufeldern und der Stabilität gegenüber externen magnetischen Feldern haben Antiferromagneten zahlreiche Vorteile gegenüber Ferromagneten in spintronischen Anwendungen. Der antiferromagnetische Zustand kann für das Speichern von Informationen genutzt werden, während Anregungen der magnetischen Ordnung für Informationstransfer und -verarbeitung in Niedrigleistungs-, Hochfrequenzanwendungen gebraucht werden können. Durch die Verwendung von Antiferromagnetischen Isolatoren mit einer niedrigen magnetischen Dämpfung als Träger für Spinströme kann Joule’sche Verlustwärme im Informationstransfer vermieden werden, was einer der größten beschränkenden Faktoren in der Miniaturisierung von spintronischen Strukturen darstellt. Die in diesem Manuskript zusammengefasste Arbeit untersucht die magnetostatischen Eigenschaften des antiferromagnetischen Zustands und weist langreichweitigen Transport von informationstragenden Magnonen nach. Die Verwendung von antiferromagnetischen Materialien als magnetische Bits setzt die zuverlässige Übersetzung von Informationen in antiferromagnetische Zustände voraus, ausgedrückt durch den Néel-Vektor, welcher ausgelesen werden können muss. Die Gleichgewichtsposition des magnetischen Zustands wird durch die Ausprägung antiferromagnetischer Anisotropien bestimmt, die in einer kontrollierten Art überwunden werden müssen, um den magnetischen Zustand zu manipulieren. Mechanismen um den magnetischen Zustand zu beeinflussen beruhen auf Spin-Orbit-torque, thermischen Prozessen, mechanischer Spannung oder Magnetfeldern. In dieser Arbeit wird der antiferromagnetische Isolator Hämatit, der Hauptbestandteil von Rost, untersucht. Dieses leicht verfügbare antiferromagnetische Material ist ein attraktiver Kandidat für Spintronik mit geringer magnetischer Dämpfung und leicht erreichbarem Spin-Flop-Feld. Durch die elektrische Bestimmung der Gleichgewichtslage des Néel-Vektors als Funktion des magnetischen Felds und der Temperatur in Einkristallen und dünnen Schichten dieses Materials werden die wichtigsten antiferrromagnetischen Anisotropien bestimmt. Auch wenn das effektive uniaxiale Anisotropiefeld in Hämatit Dünnschichten vergleichbar von dem mit Einkristallen ist, wird für das effektive Feld, das von antisymmetrischer Austauschwechselwirkung hervorgerufen wird, ein vierfach größerer Wert gefunden, weil die Kristallstruktur parallel zur c-Achse verzerrt ist. Das Wachstum von Hämatit Dünnschichten auf einem Substrat führt zu einer Steigerung des effektiven Anisotropiefelds in der Basalebene um zwei Größenordnungen. Außerdem wird eine Verschiebung der antiferromagnetischen Anisotropieachse auf Grund des Wachstums gefunden, die zu einem zusätzlichen Signal in den elektrischen Messungen führt, das bei der Bestimmung der Gleichgewichtsausrichtung des Néel-Vektors beachtet werden muss. In der Entwicklung vollständig antiferromagnetischer Strukturen, in denen sowohl Informationsspeicherung, -transport als auch -verarbeitung stattfinden kann, müssen Informationen über ausreichend große Distanzen transportiert werden. Allerdings wurde Informationstransport mittels Magnonen bisher nur über Nanometerdistanzen nachgewiesen, was zu kurz für die praktische Umsetzung von logischen Operationen ist. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit diesem Kernaspekt der Reichweite von Spintransport im gewählten Hämatit-System. Die Untersuchung belegt effizienten langreichweitigen Spintransport in Volumenproben und dünnen Schichten von Hämatit, was beweist, dass die niedrige magnetische Dämpfung dieses Materials auch für dünne Filme erhalten bleibt. Die Magnonen werden entweder von polarisiertem Grenzschicht-Spinbias oder von lokalen Aufheizphänomenen der magnetischen Ordnung erzeugt und beruhen auf verschiedenen magnetischen Ordnungsparametern, entweder dem Néel-Vektor oder der feldinduzierten Magnetisierung. Diese scharfe Abtrennung zwischen den Ausbreitungsmechanismen ist in Ferromagneten nicht möglich und stellt deshalb eine Chance für den elektrischen Nachweis und die Erzeugung von Magnonen ohne parasitäre Beiträge von Aufheizphänomenen dar. Im Falle von Mehrdomänenzustanden, fällt der Magnonen-transport scharf ab, weil die Domänenwände einfallende Magnonen streuen, insbesondere niederfrequente Magnonen. Nichtsdestotrotz ist die intrinsische Diffusionslänge sowohl von dünnen Schichten als auch des Volumenmaterials mehrere Größenordnungen länger als in allen anderen bekannten Materialien. Diese Ergebnisse belegen die Machbarkeit und positiven Eigenschaften Hämatit-basierter spintronischer Anwendungen.
DDC: 500 Naturwissenschaften
500 Natural sciences and mathematics
530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
MaxPlanck GraduateCenter
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-5704
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: CC-BY
Information on rights of use: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Extent: x, 194 Seiten, Illustrationen, Diagramme
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