Dinámica alterna de paredes de dominio en películas ferromagnéticas ultradelgadas

• Autores: Domenichini, Pablo Exequiel
• Año de publicación: 2022
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Pasquini, Gabriela; Capeluto, María Gabriela
• Materia: DOMINIOS MAGNETICOS; MAGNETO-OPTICA; DINAMICA DE PAREDES DE DOMINIO; MAGNETICS DOMAINS; MAGNETO OPTICS; DOMAIN WALL DYNAMICS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Un dominio magnético es una región espacialmente conexa cuya magnetización es homogénea. Una pared de dominio magnético (PDM) es por lo tanto la interfaz (de espesores nanométricos) que separa zonas de diferente magnetización. La dinámica de las PDMs en películas delgadas juega un rol fundamental en los mecanismos de inversión de la magnetización, tema de gran importancia para el desarrollo de dispositivos. Por otro lado, dado que las PDMs tienen una energía asociada y se encuentran en materiales con inhomogeneidades intrínsecas, pueden ser estudiadas en el marco de la teoría de interfaces elásticas en medios desordenados. En este marco, las paredes de dominio se pueden representar como una línea elástica sobre un potencial desordenado, cuya dinámica está definida por la relación entre la elasticidad de la pared de dominio, las características del potencial y la intensidad del campo magnético aplicado. En esta tesis, investigamos desde ese enfoque la dinámica y morfología de las PDMs en películas delgadas con anisotropía magnética perpendicular al plano, centrándonos en el estudio de la dinámica alterna. Entre las distintas técnicas que permiten estudiar procesos magnéticos dinámicos, se destacan las técnicas magneto ópticas (MO), basadas en la rotación de la polarización de la luz al incidir en materiales magnéticos. Uno de los objetivos de este trabajo fue el desarrollo y puesta a punta de un microscopio de efecto Kerr polar para experimentos de microscopía por imágenes a temperatura ambiente. El desarrollo del microscopio incluyó la definición del arreglo óptico para obtener imágenes con el mejor contraste posible entre las zonas de diferente magnetización, la definición de protocolos de análisis de imágenes para obtener versiones binarizadas de las imágenes de los dominios y el diseño de un sistema bobinas-portamuestras para poder aplicar pulsos de campo magnético de amplitud y período variable en los rangos de interés. Se estudiaron dos tipos de películas ferromagnéticas ultradelgadas, de distinta composición y provenientes de distintas fuentes. Por un lado monocapas magnéticas de P t/Co/P t y por otro lado una multicapa magnética de Pt/[Co/Ni]4/Al. En ambos tipos de muestras pudimos caracterizar estadísticamente las PDMs, tanto desde el punto de vista dinámico (velocidad en función de campo aplicado) como morfológico, encontrando valores de exponentes de creep y de rugosidad compatibles con los reportados en la bibliografía. La parte principal de esta tesis se centra en el estudio de las PDMs en dominios tipo burbuja bajo la acción de campos alternos. Aplicando pulsos cuadrados de campo magnético de media nula, observamos una deformación y una disminución progresiva del área de los dominios, que no había sido reportada previamente. Debido a que el proceso es intrínsecamente de naturaleza estadística, se generó un protocolo para obtener una descripción cuantitativa de la evolución de los dominios estadísticamente significativa, a partir de la evolución de observables convencionales como el área y el perímetro, y otros no convencionales como la correlación entre el dominio original y el resultante después de la aplicación de un número N de pulsos, o la correlación de un dominio con un círculo de igual área. Vimos que mientras el área disminuye, los dominios pierden circularidad y se van deformando hasta destruirse en el límite de cientos de ciclos. Analizando las imágenes, puede verse que los puntos de anclaje fuerte juegan un rol central en esa deformación. Se propone un modelo simple que explica el decrecimiento del área con el número de pulsos. Este modelo propone que la asimetría se genera por la fuerza asociada a la curvatura de la interfaz. Esta fuerza no había sido hasta el momento medida en forma experimental en películas magnéticas con desorden debido a que es muy pequeña, del orden la producida por el campo terrestre. Sin embargo, mostramos que ante la aplicación de campos alternos, esta fuerza se pone en evidencia y domina la evolución de los dominios. En el modelo propuesto, la fuerza debida a la tensión superficial puede asociarse a la generada por un campo efectivo aplicado en dirección contraria a la magnetización del dominio, de magnitud ∆H = C/ρ0, siendo C una constante determinada a partir de parámetros micromagnéticos, y ρ0 el radio medio del dominio. Aplicando campos ligeramente asimétricos para dominios con distintos radios logramos compensar el efecto de curvatura, encontrando resultados cuantitativamente consistentes con las predicciones del modelo. Presentamos una solución analítica válida bajo ciertas aproximaciones, que modela el decrecimiento del área bajo la acción de pulsos simétricos y con diferentes magnitudes de campo durante los primeros ciclos. Esta solución es también consistente con soluciones numéricas obtenidas a partir de una formulación tipo Ginzburg-Landau. Finalmente se analizan características de la evolución morfológica de los dominios, a partir de longitudes características que surgen de la función rugosidad y su correspondiente factor de estructura, y de la autocorrelacion de los perfiles. Los resultados presentados en esta tesis amplían el conocimiento sobre la dinámica y morfología de las PDMs. Mostramos que la dinámica alterna tiene características propias, no deducibles a partir de la descripción continua, y se muestra como una herramienta para detectar asimetrías y efectos de segundo orden. Debida a la similitud de las PDMs con otros sistemas elásticos, algunas de las conclusiones pueden extenderse más allá de sistemas ferromagnéticos.
Magnetics domains are spatial regions in a ferromagnetic material with homogenous magnetization. A magnetic domain wall (MDW) is an interface (of nanometric width) that divides regions with different magnetization. The dynamics of MDW in ferromagnetic thin films plays a fundamental role in the reversal mechanisms of magnetization, a topic of great importance for the development of devices. On the other hand, since MDWs have an associated energy and are found in materials with intrinsic inhomogeneities, they could be studied using the theory of elastic interfaces in disordered media. In this framework, the domain walls can be represented by an elastic line in a disordered potential, whose dynamics is defined by the relationship between the elasticity of the domain wall, the characteristics of the potential, and the intensity of the applied magnetic field. In this thesis, I research the AC dynamics and morphology of the MDW in ferromagnetic thin films with perpendicular magnetic anisotropy. Among the different techniques that allow to study the dynamic magnetic processes, the magneto-optic (MO) techniques, which are based on the rotation of the polarization of the light when it interacts with a magnetic material, shows remarkable advantages. The first goal of this work was to develop a polar Kerr effect microscope to image the magnetic domains at room temperature. This included the design of the optical arrangement to obtain images with the best possible contrast between the areas of different magnetization, the definition of image analysis protocols to obtain binarized versions of the domains images, and the design of a coil system-sample holder to be able to apply magnetic field pulses of variable amplitude and period in the ranges of interest. We study two types of ultrathin ferromagnetic films, of different compositions, provided by collaborators. On the one hand, a monolayer magnetic film of Pt/Co/Pt, and on the other hand, a multilayered magnetic film of Pt/[Co/Ni]4/Al. In both types of samples, we were able to statistically characterize the MDW, both from the dynamic point of view (speed as a function of the applied field) and the morphollogy, finding values of creep and roughness exponents compatible with those reported in the bibliography. The main part of this thesis focuses on the response of the MDWs of bubble-like domains to alternate fields. Applying square pulses with zero mean magnetic field, we could observe a change in the shape of the DW and a progressive decrease in the area of the domains, that had not been reported previously. Because this is an inherently statistical process, we designed a set of tools to quantitative characterize the DW evolution with statistical significance. In this way we used conventional observables such us area and perimeter, and other non-conventional ones based on image correlations. In particular, we calculated the correlation between the original domain and the one resulting after applying a number N of pulses and the correlation of a domain with a circle of equal area. It is seen that while the area decreases, the domains lose circularity changing its shape until they are fully destroyed in the limit of hundreds of cycles. Analyzing the images, it can be seen that the strong pinning points play a key role in this deformation. To explain the decrease in the area with the number of pulses, we proposed a simple model. It proposes that the asymmetry is generated by a force originated in the curvature of the interface. Because this force is very small (on the order of the force generated by the earth’s magnetic field), it had not been experimentally measured up to now on magnetic thin films. However, we show that after the application of alternate fields, this force becomes evident and dominates the evolution of the domains. In the proposed model, the force originated in the surface tension can be associated with that generated by an effective field applied in the opposite direction to the magnetization of the domain, of magnitude ∆H = C/0, where C is a constant determined from micromagnetic parameters, and 0 the mean radius of the domain. By applying slightly asymmetric fields on domains with different radius, we were able to compensate the curvature effect, finding results that were quantitatively consistent with the model’s predictions. we present a valid analytical solution under certain approximations, which models the decrease in area when applying of symmetric pulses and with different magnitudes of the field during the first cycles. This solution is also consistent with numerical solutions obtained from a Ginzburg-Landau type formulation. Finally, the characteristics of the morphological evolution of the domains are analyzed, based on characteristic lengths that arise from the roughness function and its corresponding structure factor, and the autocorrelation of the profiles. The results present in this thesis expand the knowledge about the dynamics and morphology of MDW. It is shown that the alternating dynamics have their characteristics, not deductible from the continuous description, and it is also evidenced as a tool to detect asymmetries and second-order effects. Due to the similarity of MDW to other elastic systems, some of the conclusions may be extend beyond ferromagnetic systems.
Fil: Domenichini, Pablo Exequiel. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.