Electric-field control of magnetization in multifunctional hybrid devices

Brandlmaier, Andreas

Andreas Brandlmaier

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Original title:: Electric-field control of magnetization in multifunctional hybrid devices
Translated title:: Elektrische Kontrolle der Magnetisierung in multifunktionalen Hybridstrukturen
Author:: Brandlmaier, Andreas
Year:: 2011
Document type:: Dissertation
Institution:: Fakultät für Physik
Advisor:: Gross, Rudolf (Prof. Dr.)
Referee:: Gross, Rudolf (Prof. Dr.); Brandt, Martin S. (Prof. Dr.)
Language:: en
Subject group:: PHY Physik
Keywords:: magnetic thin films, magnetic anisotropy, ferromagnetic resonance, strain, magnetostriction, magnetoelastic effects, magnetoelectric devices, magnetic recording, magnetic switching, magnetization reversal, magnetoresistance
Abstract:: Multifunctional material systems unite different material properties in a single functional unit. This makes them interesting for both device applications and basic research. One prominent example of multifunctional systems are the so-called magnetoelectric multiferroic materials, which simultaneously exhibit coupled ferroelectric and ferromagnetic properties. Thus, an in-situ electric-field control of magnetization is enabled - a long-standing experimental challenge offering entirely novel device paradigms. A promising approach to magnetoelectric materials are composite-type multifunctional structures made from ferromagnetic and ferroelectric constituents, which are referred to as ferromagnetic/ferroelectric hybrid systems. Such artificial compounds enable an elastic strain-mediated, indirect magnetoelectric coupling across the interface of the constituents by exploiting piezoelectricity in one phase and magnetostriction in the other. Within the framework of this thesis, we study the spin-mechanics approach. This novel concept is based on the strain-mediated electric-field control of magnetization in ferromagnetic thin film/piezoelectric actuator hybrid systems. More precisely, we investigate magnetization manipulation concepts for both polycrystalline and single-crystalline ferromagnetic thin films. We particularly focus on a control of the magnetization orientation, i.e., we study the feasibility and limitations of a piezo-voltage generated manipulation of the macrospin magnetization. We address the reversibility and nonvolatility of all-electric-field controlled magnetization reorientation processes in polycrystalline nickel, single-crystalline dilute magnetic semiconductor (Ga,Mn)As, and single-crystalline magnetite ferromagnetic thin films. The magnetic anisotropy of these multifunctional hybrids is quantified as a function of the voltage V_p applied to the piezoelectric actuator both using ferromagnetic resonance spectroscopy and anisotropic magnetoresistance techniques. The evolution of the magnetization orientation as a function of V_p is determined via superconducting quantum interference device magnetometry and magneto-optical Kerr effect spectroscopy. In short, we show that the magnetization orientation can be rotated continuously and reversibly within up to 90° at zero external magnetic field at room temperature solely by changing V_p. We also demonstrate irreversible and nonvolatile voltage-controlled magnetization reorientations of up to 180° upon an appropriate magnetic field preparation of the magnetization. We furthermore realize a proof-of-principle multifunctional memory device based on a nonvolatile and reversible all-electric-field control of remanent magnetization orientation. All data can be quantitatively understood within a single-domain (macrospin) Stoner-Wohlfarth type of approach. Furthermore, we investigate different concepts towards a nonvolatile, all-voltage-controlled magnetization switching in single-crystalline ferromagnets at room temperature.
Translated abstract:: Multifunktionale Materialsysteme vereinigen unterschiedliche Materialeigenschaften in einer Funktionseinheit. Sie sind daher sowohl für Bauelement-Anwendungen als auch für die Grundlagenforschung von großem Interesse. Ein wichtiges Beispiel für multifunktionale Systeme sind die sogenannten magnetoelektrischen multiferroischen Materialien, die gleichzeitig ferroelektrische und ferromagnetische Eigenschaften aufweisen. Dies erlaubt eine elektrische Kontrolle der Magnetisierung - eine langjährige experimentelle Herausforderung, die völlig neue Bauelement-Konzepte ermöglicht. Eine vielversprechende Herangehensweise an magnetoelektrische Materialien sind verbundartige multifunktionale Strukturen aus ferromagnetischen und ferroelektrischen Komponenten, die als ferromagnetisch/ferroelektrische Hybridstrukturen bezeichnet werden. Derartige künstliche Schichtstrukturen ermöglichen eine über elastische Verspannung vermittelte, indirekte magnetoelektrische Kopplung über die Grenzfläche der Komponenten, indem Piezoelektrizität in einer Phase und Magnetostriktion in der anderen verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir das Spinmechanik-Konzept untersucht. Dieses basiert auf der durch elastische Verspannung vermittelten elektrischen Kontrolle der Magnetisierung in ferromagnetischen Dünnfilm/piezoelektrischer Aktor-Hybridsystemen. Dabei untersuchen und vergleichen wir die Magnetisierungsmanipulation sowohl in polykristallinen als auch in einkristallinen ferromagnetischen dünnen Filmen. Ein zentraler Fokus liegt hierbei insbesondere auf der Kontrolle der Magnetisierungsrichtung, d.h., wir untersuchen die Realisierbarkeit und Grenzen einer durch Piezo-Spannung erzeugten Manipulation der Makrospin-Magnetisierung. Wir behandeln die Reversibilität und Nichtflüchtigkeit von rein elektrisch kontrollierten Umorientierungsprozessen der Magnetisierung in polykristallinen Nickel-Dünnfilmen, einkristallinen Dünnfilmen des magnetischen Halbleiters (Ga,Mn)As und einkristallinen Magnetit-Dünnfilmen. Die magnetische Anisotropie dieser multifunktionalen Hybride wird als Funktion der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung V_p quantifiziert, und zwar sowohl mittels ferromagnetischer Resonanz-Spektroskopie als auch durch die Messung des anisotropen Magnetwiderstands. Die Evolution der Magnetisierungsorientierung als Funktion von V_p wird mittels SQUID-Magnetometrie und magnetooptischer Kerr-Effekt-Spektroskopie bestimmt. Zusammenfassend zeigen wir, dass bei Raumtemperatur und in Abwesenheit von externen Magnetfeldern die Magnetisierungsrichtung rein durch Veränderung von V_p kontinuierlich und reversibel um bis zu 90° gedreht werden kann. Wir demonstrieren irreversible und nichtflüchtige, spannungskontrollierte Drehungen der Magnetisierung um bis zu 180° bei einer entsprechenden Magnetfeld-Präparation der Magnetisierung. Weiterhin stellen wir einen Demonstrator eines multifunktionalen Speicherbauelements her, der auf einer nichtflüchtigen und reversiblen elektrischen Kontrolle der remanenten Magnetisierungsrichtung beruht. Alle experimentellen Ergebnisse können quantitativ innerhalb eines eindomänigen (Makrospin) Stoner-Wohlfarth Ansatzes verstanden werden. Des Weiteren untersuchen wir verschiedene Konzepte in Richtung eines nichtflüchtigen, rein spannungskontrollierten Schaltens der Magnetisierung in einkristallinen Ferromagneten bei Raumtemperatur.
WWW:: https://mediatum.ub.tum.de/?id=1081291
Date of submission:: 20.07.2011
Oral examination:: 08.09.2011
File size:: 17628167 bytes
Pages:: 169
Urn (citeable URL):: https://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20110908-1081291-1-6
Last change:: 27.09.2011
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