Magnetization Reversal in Cylindrical Nanowires and in Nanowires with Perpendicular Magnetic Anisotropy

Deposition of magnetic materials in self-organized pores of an alumina membrane provides the unique ability to process large amounts of nanowires with complex shape and uniform properties. For both fundamental research and technological applications it is of interest to understand and control the magnetization reversal and the pinning of magnetic domain walls in so-prepared structures. The present work provides new insights into the magnetic behavior of electrochemically synthesized nanowires by applying established methods such as magnetoresistance measurements and magnetic force microscopy as well as a novel photoemission electron microscopy method developed at the synchrotron light source BESSY II in Berlin, Germany. Recording both the electrons emitted directly from the surface of a nanoobject as well as the ones bounced out of the substrate by the transmitted x rays in the object’s shadow, surface and bulk magnetizations can be probed separately. The individual switching of two coaxial nanomagnets, namely an iron oxide tube and an enclosed nickel core, is successfully demonstrated. Magnetization reversal of individual straight nickel wires with diameters between 40 nm and 350 nm is studied experimentally and by micromagnetic simulations performed with nmag. The results are analyzed by comparison to analytical models. For the preparation of domain walls in electrochemically synthesized nanowires three different methods are explored. While the manipulation with a focused Ga+ ion beam rather decreases the nucleation field than induces pinning sites, reliable domain-wall preparation is shown in bent wires. A main focus of this work lies on magnetization reversal in cylindrical wires with one or more diameter modulations. It is found that domain walls stop their propagation when approaching a modulation from a thin towards a thicker segment. A model based on magnetic charges is proposed that accounts for the experimentally observed behavior and predicts what is also confirmed by micromagnetic simulations: while the exact shape of a modulation is of minor importance, the force experienced by a domain wall and thereby the pinning potential can be tuned by changing the aspect ratio of a modulation. The last part of this thesis reports on domain nucleation and pinning of domain walls in flat nanowires with perpendicular magnetic anisotropy patterned by electronbeam lithography, sputter deposition of a Co/Pt multilayer, and lift-off processing. Magnetization reversal was imaged by transmission X-ray microscopy at the Advanced Light Source in Berkeley, CA, USA. It is found that the nucleation field in Co/Pt wires can be tuned and reduced by up to 60 percent by designing triangularpointed ends. In order to clarify the origin of the reduction of the nucleation field micromagnetic simulations are employed. The effect cannot be explained by the geometry variation alone, but is attributable to a local reduction of the perpendicular anisotropy caused by shadowing of the resist mask during sputter deposition of the multilayer. Related aspects concerning the creation of pinning sites for domain walls are addressed. Die vorliegende Arbeit gewahrt neue Einblicke in das magnetische Verhalten elektrochemisch synthetisierter Nanodrahte. Hierfur werden sowohl etablierte Methoden wie Magnetowiderstandsmessungen und magnetische Rasterkraftmikroskopie als auch ein im Rahmen dieser Arbeit neu entwickeltes Verfahren zur Untersuchung komplexer magnetischer Strukturen angewendet. Letzteres nutzt die Strahlenquelle des Berliner Elektronen Synchrotrons BESSY II und basiert auf der konventionell nur oberflachensensitiven Photoemissions-Elektronenmikroskopie. Es werden sowohl die Photoelektronen detektiert, die direkt aus der Oberflache eines Nanoobjekts emittiert werden, als auch diejenigen, die von den das Objekt durchdringenden Rontgenstrahlen im Schatten des Objekts aus dem Substrat ausgeschlagen werden. Dadurch gelingt es, Bilder der gesamten Magnetisierung, also von der Oberflache und aus dem Inneren der Nanostruktur, aufzunehmen. Das Potential der Methode wird durch die Untersuchung von Eisenoxidrohren, die einen Nickel-Kern enthalten, demonstriert. Dabei lasst sich individuelles Schalten der beiden koaxialen Nanomagnete nachweisen. Daruberhinaus beschaftigt sich die Arbeit sowohl experimentell als auch in mikromagnetischen Simulationen mit den Ummagnetisierungsvorgangen einzelner gerader Nickel-Nanodrahte mit Durchmessern zwischen 40 nm und 350 nm. Die Ergebnisse werden unter anderem anhand analytischer Modelle interpretiert. Fur die Praparation von Domanenwanden in elektrochemisch synthetisierten Nanodrahten werden drei verschiedene Methoden erprobt. Wahrend die Manipulation mit einem fokussierten Gallium-Ionenstrahl eher das Nukleationsfeld um circa 10 Prozent verringert, als Pinningzentren zu kreieren, gelingt es durch das Anlegen externer Magnetfelder zuverlassige Domanenwandpraparation in geknickten Drahten zu demonstrieren. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung zylindrischer Drahte mit einer oder mehreren Durchmessermodulationen. Es wird gezeigt, dass Domanenwande stoppen, wenn sie von einem dunnen Segment aus auf die Modulation zu einem dickeren Segment hin zulaufen. Zur Erklarung des experimentell beobachteten Verhaltens wird ein Modell aufgestellt, welches auf magnetischen Ladungen beruht und zudem mikromagnetische Simulationen bestatigt: wahrend die genaue Form einer Modulation nur eine untergeordnete Rolle spielt, kann die von der Domanenwand erfahrene Kraft durch das Aspektverhaltnis der Modulation eingestellt werden. Der letzte Abschnitt der vorliegenden Arbeit beschaftigt sich mit der Nukleation und dem Pinnen von Domanenwanden in lithographisch hergestellten Co/Pt Multischichtdrahten mit senkrechter Anisotropie. Mittels Transmissions- Rontgenmikroskopie an der Advanced Light Source in Berkeley (USA) wird gezeigt, dass das Feld, bei dem Domanenwande in einen Draht injiziert werden, justiert und um bis zu 60 Prozent reduziert werden kann, indem man Drahte mit spitzen Enden herstellt. Mikromagnetische Simulationen belegen, dass die Verringerung dieses Nukleationsfeldes nicht durch die geometrische Variation allein erklarbar ist, sondern sich auf eine Verminderung der lokalen senkrechten Anisotropie zuruckfuhren lasst. Fur letztere wiederum sind praparationsbedingte Abschattungseffekte verantwortlich.