Fabrication of Large Area Artificial Spin Ice Systems

Abstract

Artificial spin ice (ASI) er en type konstruerte materialer, bestående av magneter av nanostørrelse som har fått mye oppmerksomhet det siste tiåret. Fordi vekselvirkninger mellom nanomagnetene skaper magnetisk frustrasjon og magnetiske monopoler, har det blitt foreslått å bruke ASI som basis for en ny type datamaskin med stor kapasitet til å lagre og håndtere data, og samtidig bruke lite kraft.

For å oppnå komputasjon med høy hastighet, trengs store mengder magnetiske interaksjoner. Dette oppnås ved å lage ASIer med stort areal. Derfor er fremstillingen av, og de magnetiske egenskapene til, ASIer med stort areal et interessant, men så langt lite studert forskningsområde. Målet med denne studien er derfor å optimere en metode for fremstilling av store ASIer basert på elektronstrålelitografi, og å produsere en stor prøve for å vurdere denne metoden. Vurderingen gjøres ved avbildning med skanningelektronmikroskopi og en analyse av magnetisk reversering med foner magnetometri. En god metode for å fremstille store ASI-systemer vil gi muligheter for å utforske de magnetiske egenskapene til ASI-systemer.

Prosessen ble optimert ved å teste fem prosess-steg uavhengig av hverandre: resistløsningen, standard områdedose, metallisering ved elektronstråledamping, lift-off og opplinjering av skrivefelt. Optimeringen av metalliseringsmetoden viste seg å være den viktigste for kvaliteten til de ferdig mønstrede prøvene. Dette er fordi deponering av metall på sidene av magnetene, som et resultat av parametre i metalliseringsprosedyren, påvirker enkeltmagnetenes dimensjoner og hemmer lift-off. Det ble også observert et misforhold mellom magnetenes lengder og bredder for alle områdedoser, som kan justeres i maskedesignprosessen for framtidige prøver for å forbedre magnetstørrelser.

Magnetmønstre av høy kvalitet ble fremstilt ved den optimerte metoden, med unntak av noen forskyvninger i mønsteret som skyldtes urenheter i elektronstrålelitografisystemet, og noen feil hvor hele eller deler av magneter manglet. Fullstendige og korrekt utformede magneter er nødvendige for at de magnetiske egenskapene til ASI-systemt skal fungere som forventet. Til framtidige fremstillinger foreslås det derfor en forbedring av rengjøringen og oppbevaringen av prøvene, og bedre vedlikehold av elektronstrålelitografisystemet.

For den store prøven ble det vist at den magnetiske reverseringen skjedde i to separate steg, hvilket er i overensstemmelse med beskrivelser i andre studier. Dette funnet indikerer at de to delgitterene i mønsteret virker uavhengig av hverandre på tross av sammenhengende magneter. Høyt støysignal førte til noe utydelige resultater, og bør reduseres slik at den magnetiske reverseringen og andre magnetiske egenskaper i systemene kan studeres i detalj.

For framtidig fabrikasjon av ASI-systemer med stort areal er det spesielt viktig å effektivisere elektronstrålelitografiprosessen og sikre nøyaktig sammenføying av skrivefeltene. Når de magnetiske egenskapene ved ASI-systemer på denne størrelsen studeres, bør instrumenter med høy sensitivitet, som SQUID-magnetometri, benyttes.

Artificial spin ices are a class of constructed materials based on nanosized magnets that have garnered considerable attention in the last decade. Interactions between the nanomagnets results in interesting phenomena like frustration and magnetic monopoles. These phenomena are the reason artificial spin ices have been suggested as the basis for a new type of unconventional computing that could provide low-power high-capacity data storage and handling.

To achieve high-speed computation, a large number of interactions is needed, which is obtained by creating large area artificial spin ices. The fabrication and magnetic properties of large area spin ices are thus fields of particular interest, however the study of them has been largely neglected thus far. The aim of this study is therefore to optimize a fabrication route based on electron beam lithography for large area artificial spin ice, and to fabricate one large sample in order to evaluate the method. This is done by scanning electron microscopy imaging and an analysis of magnetic reversal by vibrating sample magnetometry. The successful fabrication of large area spin ices facilitates further studies of their magnetic properties.

The fabrication process was optimized by individually testing five steps in the process: resist solution, base area dose, metallization by electron beam evaporation, lift-off and write field alignment. Optimizing the metallization method was found to be the most important in terms of improving pattern quality, as considerable side wall deposition caused by metallization procedure parameters distorts magnet dimensions and inhibits lift-off. Aside from this, a discrepancy in the relationship between magnet length and width was detected for all doses, which can be adjusted in the mask design process in the future to perfect magnet dimensions.

High-quality magnet patterns were developed using the optimized process, though some shifts attributed to contamination in the electron beam lithographer were discovered along with some errors where magnets were missing. Fully formed magnets are necessary if the artificial spin ices and the magnets within it is to exhibit predictable magnetic properties. It is thus suggested that for future fabrications that cleaning and storage of the sample is improved, along with maintenance of the electron beam lithography system.

For the large sample, a stepwise magnetic reversal behaviour was detected for some field angles, which is in accordance with the findings in other studies. This indicates that the sublattices of the square array indeed do work independently of each other, and that the errors found in the array did not completely sabotage its magnetic properties. Considerable noise influenced and obscured the hysteresis results, and should be reduced for a more detailed study of the magnetic reversal and other magnetic properties.

It is of particular interest for future fabrications of large area artificial spin ices that the electron beam lithography process is streamlined, and that precise joining of write fields is ensured. When investigating the magnetic properties of artificial spin ices of this size, instruments with high sensitivity, like SQUID magnetometry, should be employed.