Magnetic Force Microscopy of Magnetic Nanodisk Arrays at Room Temperature

Abstract

De senere årene har verden opplevd en eksponentiell økning i energiforbruket relatert til informasjonsteknologi og data. Samtidig er det et intenst behov for å redusere verdenssamfunnets samlede energiforbruk. Dette gjør det nødvendig å skape elektroniske komponenter som har lavere energiforbruk. Med all sannsynlighet vil avanserte magnetiske materialer være en del av løsningen på denne teknologiske utfordringen. Magnetiske metamaterialer er en underkategori av avanserte magnetiske materialer som har mange lovende egenskaper. I disse materialene bestemmes ikke egenskapene bare av materialets iboende egenskaper, men også av dets struktur på nanonivå.

I denne oppgaven er hovedtema todimensjonale ensembler av magnetiske nanodisker, med gitterstruktur av heksagonale og kvadratiske enhetsceller. Dette er en type magnetisk metamateriale. Temaet blir hovedsakelig utforsket på tre måter: Ensemblene avbildes med magnetkraftmikroskopi, gjort ved romtemperatur. Magnetkraftmikrografene tolkes så i lys av mikromagnetiske simuleringer gjort i programvaren \mumax. Temaet blir også belyst teoretisk basert på en modell der nanodiskene blir tilnærmet med magnetiske dipoler. I tillegg til denne tredelte tilnærmingen til metamaterialet i seg selv, blir også den temperaturavhengige, tiltrekkende kraften som observeres mellom magnetkraftmikroskopspiss og prøvemateriale undersøkt. Dette gjøres basert på en sammenligning av mikrografier tatt som en del av dette arbeidet, resultater fra litteraturen og andre, foreløpig upubliserte resultater.

Det konkluderes med at det heksagonale gitteret med overveiende sannsynlighet er i en superferromagnetisk tilstand. For det kvadratiske gitteret trekkes ingen bestemte slutninger, men det blir argumentert for at den mest sannsynlige tilstanden involverer en flerdomenestruktur som kan bestå av forskjellige former for orden. Avslutningsvis konkluderes det med at den tiltrekkende kraften mellom mikroskopspiss og prøve skyldes at de magnetiske momentene i nanodiskene roterer i planet, grunnet påvirkningen fra det magnetiske feltet fra spissen.

The last years, the world has seen an exponential increase in the energy consumption of computers. This, combined with the urgent need of the global population to consume less energy, requires the implementation of low-energy electronics. One way or another, advanced magnetic materials are likely to be part of the technological solution in achieving this goal. One interesting class of materials is magnetic metamaterials. In these materials, the properties depend not only on the intrinsic properties of the material, but also on the geometrical structure on the nanoscale.

This thesis investigates one class of magnetic metamaterials, namely two-dimensional arrays of nanodisks in square and hexagonal lattices. A three-pronged approach is used: The arrays are imaged using magnetic force microscopy under ambient conditions. The resulting micrographs are interpreted and compared with theoretical predictions based on both an analytical dipole approach and micromagnetic simulations in the software MuMax3. Additionally, an investigation into the mechanism of an unexpected interaction between the nanodisk arrays and the tip is made. This is done based on comparison between achieved MFM micrographs, results found in literature and currently unpublished results.

The hexagonal lattice is found to likely be superferromagnetic under ambient conditions. No conclusion is made on the presence of an ordered state in the square lattice, due to the low magnetic contrast resulting from the possible ordered states. However, it is argued that the most likely explanation for the results found relating to the square lattice, is that it exhibits multiple domains. These could possibly have various types of order. The unexpected tip-sample interaction is found to be attractive and temperature-dependent. It is also concluded that the mechanism best explaining the interaction, is one where the magnetic moments of the nanodisks are rotated in-plane by a perturbation created by the tip.