Domain wall transition structures and their Influence on magnetization reversals

Abstract

Properties of magnetic materials are determined by their internal structures. In this work, magnetic domains and domain walls were analyzed with the change of film deposition-conditions, an externally applied field and a perpendicular anisotropy. The influences of the transition structures (TSs) of the walls, such as vortices and antivortices, on the domain configurations and magnetization reversals were investigated. Different types of domains, domain walls and their TSs in permalloy (Py) patterned films were imaged with Magnetic Force Microscopy (MFM). The corresponding micromagnetic simulations were performed using Object-Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF) software. On increasing the argon (Ar) sputtering pressure, pinning of the TSs and domain walls due to the increase of porosity in the films resulted in the formation of complex domain configurations with irregularly arranged magnetizations. Technically relevant domain configurations, with magnetizations well-defined by the shapes and dimensions of the films, were obtained by depositing films at 1 μbar Ar pressure. By investigating the TSs during magnetization reversals, it was found that their nucleation created segments of reversed magnetizations inside the walls. These segments expanded with the increase of the applied field to form the domains of reversed magnetizations. In this process, domain walls also reversed their internal magnetizations with the displacement of a resulting single vortex along their wall-axes, as a consequence of the nucleation and annihilation of the TSs inside the walls. Moreover, on observing the internal structures of the walls inside a film of a certain thickness and containing a perpendicular anisotropy, alternate upwards and downwards split magnetization segments were found. These segments expanded inside the domains with the increase of the film thickness and formed stripe domains. Hence, a fifty years old domain-phase diagram was refined by finding a premature formation of stripe domains inside the domain walls.

Eigenschaften magnetischer Materalien sind bestimmt durch ihre interne Struktur. In dieser Arbeit wurden magnetische Domänen und Domänenwände mittels Änderung der Dünnschicht-Depositionsbedingungen, eines externen magnetischen Feldes sowie einer senkrechten Anisotropie untersucht. Der Einfluss von Übergangsstrukturen der Domänenwände, wie Wirbel und Antiwirbel, auf die Domänenkonfigurationen und Magnetisierungsumkehrung wurde untersucht. Verschiedene Arten von Domänen, Domänenwänden und deren Übergangsstrukturen in Permalloy strukturierten Filmen wurden mit einem Magnetkraftmikroskopie abgebildet. Die entsprechenden mikromagnetischen Simulationen wurden mit Hilfe der Object-Oriented MicroMagnetic Framework Software durchgeführt. Bei Erhöhung des Argon-Gasdrucks in der Sputterkammer ergab sich eine Fixierung der Übergangsstrukturen und Domänenwände aufgrund der Erhöhung der Porösität der Filme, die zu einer Formation von komplexen Domänen-Konfigurationen mit irregulär ausgerichteten Magnetisierungen führte. Technisch relevante Domänenkonfigurationen, mit Magnetisierungen die durch die Form und Größe des Films definiert sind, wurden durch Sputter-Deposition bei einem Argon-Gasdruck von ca. 1 μbar erhalten. Mittels Untersuchungen der Übergangsstrukturen während Magnetisierungsumkehrungen konnte herausgefunden werden, dass ihre Entstehung Segmente invertierter Magnetisierung innerhalb der Domänenwand erzeugte. Diese Segmente vergrößerten sich bei Erhöhung des externen Magentfeldes, um Domänen mit invertierter Magnetisierung zu bilden. In diesem Prozess invertierten Domänenwände ihre internen Magnetisierungen mit der Verschiebung eines resultierenden einzelnen Wirbel entlang der Wandachse als Folge der Nukleierung und Annihilation der Übergangsstrukturen innerhalb der Wände. Des Weiteren wurden bei der Untersuchung der internen Strukturen der Domänenwände in einem Film bestimmter Dicke und Anisotropie sich abwechselnde auf- und abwärtsgeteilte Magnetisierungsbereiche gefunden. Diese Bereiche vergrößerten sich innerhalb der Domänen mit der Zunahme der Filmdicke und bildeten Streifendomänen. Infolgedessen konnte ein 50 Jahre altes Phasendiagram für magnetische Domänen aufgrund der Beobachtung einer vorzeitigen Formierung von Streifendomänen innerhalb von Domänenwänden revidiert werden.