| dc.description.abstract | Improving energy efficiency is an urgent priority for the device technologies of tomorrow. To this end, introduction of spintronic devices where antiferromagnetic spins play an active role is a promising avenue, offering robust, efficient devices operating at higher frequencies than their ferromagnetic counterparts. However, antiferromagnetic materials systems suitable for such devices remain relatively unexplored, as the absence of a net magnetization makes them notoriously difficult to measure and control.
In the present work, the impact of nanoscale patterning on the antiferromagnetic spin configuration in thin film epilayers is investigated. The orientation of the antiferromagnetic spin axis, also referred to as the Néel vector, is governed by the magnetic anisotropies present in the material. By studying how the Néel vector is affected by patterning, as well as structural and external parameters, we seek to advance the understanding of the magnetic anisotropies in patterned thin film antiferromagnets and explore opportunities to control the orientation of the Néel vector in such magnetic nanostructures.
Our model system consists of thin film epilayers of the antiferromagnet LaFeO3, grown as single-layers and as heteroepitaxial bilayers with the ferromagnet La0.3Sr0.7MnO3. These compounds both belong to the perovskite oxides, a class of materials known for their wide range of functional properties and ample opportunities for control of these properties through chemical substitution and structural distortions. Micro - and nanostructures were defined in perovskite oxide thin films using electron beam lithography followed by two different fabrication procedures. Embedded structures were prepared using ion implantation, suppressing magnetic order in implanted material. Free-standing structures were prepared using ion milling, physically removing the material around the structures. The antiferromagnetic/ ferromagnetic spin configuration of these structures were investigated using polarized x-ray absorption spectroscopy and spectromicroscopy, taking advantage of magnetic dichroism at the L2,3 edge in Fe and Mn.
The present work is motivated by prior research conducted in this materials system. For embedded nanostructures defined in a LaFeO3 thin film, a pronounced shape-imposed anisotropy was observed in the magnetic domain pattern of structures with their edges aligned with the magnetocrystalline easy axes of LaFeO3. In LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilayers, the interface exchange coupling to the adjacent La0.3Sr0.7MnO3 layer was found to override this shape-imposed anisotropy at lower temperatures, orienting the antiferromagnetic spin axis perpendicular to the ferromagnetic moments in the La0.3Sr0.7MnO3 layer (i.e., spin-flop coupling). In this work, we examine the shape-imposed anisotropy in patterned LaFeO3 thin films in further detail by investigating the impact of geometric, structural, and external parameters, e.g., temperature and applied magnetic fields. In patterned LaFeO3 single-layers, we investigate the effects of layer thickness, nanostructure linewidth, crystalline orientation, and fabrication procedure (i.e., embedded vs. free-standing structures). In patterned LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilayers, the effects of the ferromagnetic layer thickness, temperature, nanostructure linewidth, and an applied magnetic field are examined.
In patterned LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilayers with a thickness of 10/10 unit cells (u.c.), an uncharacteristic, “frustrated” domain state emerges as a consequence of the interface exchange coupling and competing anisotropies in the two layers. By thermal cycling of the sample through the La0.3Sr0.7MnO3 Curie temperature (Tc), we found that the same antiferromagnetic domain pattern of LaFeO3 is recovered above Tc for every cycle, including the shapeimposed “edge domains” in the micro- and nanomagnets. The ferromagnetic layer appears to control the orientation of the antiferromagnetic spins within domains, whereas domain boundaries appear seeded by the native antiferromagnetic domain pattern in the LaFeO3 layer. These findings thus suggest the presence of a variable energy landscape for switching antiferromagnetic spins in LaFeO3 thin films.
In 10/90 u.c. LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilayer line structures, the competition between shape-imposed anisotropy in the LaFeO3 layer and interface coupling to the adjacent La0.3Sr0.7MnO3 layer results in a temperature dependent 90◦ reorientation of the Néel vector, switching from a collinear to a perpendicular antiferromagnetic/ferromagnetic spin configuration within the temperature interval 100 – 150 K. However, by reducing the linewidth, the collinear orientation of the Néel vector and ferromagnetic magnetization is retained to lower temperatures. In contrast, an external applied field was found to not affect the spin reorientation temperature interval, thus indicating that the interface coupling is not simply a function of the saturation magnetization in the La0.3Sr0.7MnO3 layer.
In LaFeO3 single-layers, free-standing structures prepared by ion milling were found to exhibit a shape-imposed anisotropy similar to that observed for embedded structures, thus proving that antiferromagnetic spin control is also feasible with free-standing nanomagnets. Furthermore, the x-ray magnetic linear dichroism (XMLD) in the LaFeO3 epilayer was confirmed to exhibit an angular dependence relating to the crystalline symmetry. In particular, the XMLD signature was found to reverse sign when the Néel vector was switched from the 1 0 0pc to the 1 1 0pc crystalline directions, thus proving that crystalline symmetry must be taken into account to obtain a correct interpretation of XMLD spectra with respect to the Néel vector orientation. Based on this finding, the favored axis for the Néel vector in shape-imposed antiferromagnetic domains of single-layer LaFeO3 thin film nanostructures was found to be either parallel or perpendicular to the structure edges dependent on the layer thickness, the crystalline orientation of the edges, and the fabrication procedure (free-standing vs. embedded structures). However, the lateral extension of these shape-imposed “edge domains” appears to be the same (∼ 200 nm) irrespective of these structural parameters.
With these results, we have demonstrated that nanoscale patterning can have a profound impact on the Néel vector orientation in LaFeO3 thin films. The pronounced antiferromagnetic shape effect found in embedded and free-standing structures alike, resulting in either parallel or perpendicular orientation the Néel axis with respect to nanomagnet edges, indicates that the antiferromagnetic spin axis is highly sensitive to structural distortions. This research thus proves that nanoscale patterning is a possible route for controlling the magnetic anisotropy in antiferromagnetic thin films, which may provide a useful tool in the design of future spintronic devices. | nb_NO |
| dc.description.abstract | Sammendrag på norsk
Energieffektivitet er et av de viktigste forbedringspotensialene innen elektronikk og datateknologi. Et spennende og lovende konsept for å oppnå mer effektiv energibruk er spintronikk basert på antiferromagnetiske materialer. Antiferromagnetiske applikasjoner kan potensielt tilby effektive og robuste komponenter som ville være i stand til å operere på langt høyere frekvenser enn tilsvarende applikasjoner basert på ferromagneter. Samtidig er antiferromagnetiske materialsystem lite utforskede og studert, da mangelen på en netto-magnetisering gjør dem notorisk vanskelige å måle og kontrollere.
I dette arbeidet undersøker vi hvordan mønstring på nanonivå kan påvirke orienteringen til den antiferromagnetiske spinnaksen i krystallinske tynnfilmer. Orienteringen til denne spinnaksen, også kalt Néel-vektoren, bestemmes av de magnetiske anisotropiene i materialet. Ved å undersøke hvordan Néel-vektoren påvirkes av strukturelle og eksterne parametere kan vi bedre forstå magnetiske anisotropier i mønstrede, antiferromagnetiske tynnfilmer, samt utforske muligheten til å kontrollere Néel-vektoren i slike nanomagneter.
Som modellsystem benytter vi epitaksielle tynnfilmer av antiferromagneten LaFeO3, enten som enkeltlag eller i et bilag sammen med ferromagneten La0.3Sr0.7MnO3. Begge disse stoffene tilhører de såkalte perovskittoksidene. Denne materialklassen er kjent for sine funksjonelle egenskaper, samt muligheten til å påvirke disse gjennom kjemisk substitusjon eller atomstrukturendringer. For å frembringe mikro- og nanostrukturer i disse filmene, benyttet vi elektronstrålelitografi sammen med to forskjellige fabrikasjonsprosesser. Omkransede strukturer ble laget med ioneimplantering ved at magnetisk orden blir ødelagt i implanterte områder. Frittstående strukturer ble laget med ione-etsing, ved at materialet utenfor strukturene fjernes. Den antiferromagnetiske/ferromagnetiske spinnkonfigurasjonen i disse strukturene ble deretter undersøkt i polarisert røntgenabsorpsjons-spektroskopi og spektromikroskopi, ved hjelp av magnetisk dikroisme på L2,3-kanten i Fe og Mn.
Dette arbeidet bygger på tidligere forskning utført i samme materialsystem. For omkransede nanostrukturer i LaFeO3 ble det observert en markant form-effekt i det magnetiske domenemønsteret i strukturer hvor kantene var opplinjert med de magnetokrystallinske “easy”-aksene i LaFeO3. I LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilag ble det observert at overflatekoblingen til La0.3Sr0.7MnO3-laget kunne overstyre denne form-induserte anisotropien på lavere temperaturer, slik at den antiferromagnetiske spinnaksen ble orientert perpendikulært på de ferromagnetiske momentene i dette laget (også kjent som spinn-flopp-kobling). I dette arbeidet undersøker vi den form-induserte anisotropien i nærmere detalj ved å utforske effekten av geometriske, strukturelle og eksterne parametere, f eks. temperatur og eksterne magnetiske felt. I mønstrede enkeltlag-filmer av LaFeO3 undersøker vi effekten av LaFeO3-tykkelse, nanostruktur-linjebredde, krystallinsk orientering og fabrikasjonsmetode (dvs. omkransede vs. frittstående strukturer). I mønstrede LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilag ser vi på effekten av La0.3Sr0.7MnO3-tykkelse, temperatur, nanostruktur-linjebredde og et pålagt eksternt magnetisk felt.
I mønstrede LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilag med tykkelse som tilsvarer 10/10 enhetsceller (10 u.c.) ble det observert en ukarakteristisk, frustrert domenetilstand på grunn av konkurrerende anisotropier i to de lagene og overflatekoblingen som binder disse sammen. Gjennom systematisk oppvarming og nedkjøling rundt Curie-temperaturen (Tc) til La0.3Sr0.7MnO3, finner vi at det samme antiferromagnetiske domenemønsteret gjenoppstår over Tc, inkludert de form-induserte “kant-domenene” i nanostrukturene. Det framstår som at det ferromagnetiske laget kontrollerer orienteringen til de antiferromagnetiske spinnene innfor hvert domene, mens domenegrensene blir satt av de antiferromagnetiske domenene i LaFeO3 over Tc. Dette funnet indikerer at det finnes et varierende energilandskap for å svitsje de antiferromagnetiske spinnene i LaFeO3.
For linjestrukturer i 10/90 u.c. tykke LaFeO3/La0.3Sr0.7MnO3 bilag resulterer konkurransen mellom form-indusert anisotropi i LaFeO3-laget og overflatekoblingen til La0.3Sr0.7MnO3 i en 90◦ reorientering av Néel-vektoren avhengig av temperatur, altså at antiferromagnetiske/ferromagnetiske spinnkonfigurasjonen går fra å være kollineær til perpendikulær. Denne spinnreorienteringen finner vanligvis sted mellom 100 - 150 K, men ved å redusere linjebredden til strukturene finner vi at den kollineære spinnkonfigurasjonen er bevart til lavere temperaturer. Pålagte eksterne magnetiske felt viser seg derimot ikke å ha noen effekt på spinn-reorienteringen, noe som tyder på at overflatekoblingen ikke bare er en funksjon av metningsmagnetiseringen i La0.3Sr0.7MnO3.
I mønstrede enkeltlag-filmer av LaFeO3 finner vi at den form-induserte anisotropien opptrer i frittstående strukturer frembrakt ved ione-etsing, noe som viser at det er mulig å kontrollere den antiferromagnetiske spinnaksen i denne typen strukturer også. Det bekreftes at såkalt røntgen magnetisk lineær dikroisme (XMLD) i LaFeO3 utviser en angulær avhengighet i forhold til krystallstrukturen. Mer spesifikt bytter XMLD-signaturen fortegn mellom krystallretningene 100pc og 110pc. Dette viser at det er helt nødvendig å ta høyde for krystallsymmetrien når XMLD-signaturen skal analyseres for å finne orienteringen til den antiferromagnetiske spinnaksen. Med utgangspunkt i denne observasjonen finner vi at den favoriserte Néel vektor orienteringen gitt av den form-induserte anisotropien i LaFeO3 nanostrukturer kan være både parallell og perpendikulær med strukturkantene, avhengig av LaFeO3-tykkelse, strukturkantenes krystallinske orientering, samt fabrikasjonsprosessen (altså omkransede/frittstående strukturer). Utstrekningen til “kant-domenene” viser seg derimot å være den samme (∼ 200 nm), uavhengig av endringen i disse strukturelle parameterne.
Med disse resultatene har vi demonstrert at mønstring i nanoskala i stor grad kan påvirke orienteringen til Néel-vektoren i nanostrukturer definert i LaFeO3-tynnfilmer. Den antiferromagnetiske form-effekten som endrer den magnetiske anisotropien i tynnfilm-nanomagnetene antas å oppstå som følge av strukturell deformasjon av atomstrukturen under mønstringsprosessen. Det at vi observerer en markant anisotropi både for omkransede og frittstående strukturer, samt at denne kan endres fra parallell til perpendikulær til strukturkanten som følge av små endringer i strukturelle parametere, indikerer at den antiferromagnetiske spinnaksen er svært sensitiv for strukturelle endringer. Denne forskningen viser at mønstring i nanoskala er en lovende mulighet for å kontrollere magnetisk anisotropi i antiferromagnetiske tynnfilmer, og at slik mønstring kan være et nyttig verktøy i utviklingen av fremtidige spinntroniske applikasjoner. | nb_NO |
