Magnetic Force Microscopy and Micromagnetic Simulations of Nanoscale Magnetic Structures and Modified Artificial Spin Ices

Abstract

Kunstige spinnis betegner magnetiske metamaterialer som består av koblede nanomagneter plassert i et gitter. De utgjør interessante system fordi de gir mulighet til å skreddersy magnetiske egenskaper. Videre har de et potensial i applikasjoner som energieffektiv dataanalyse. Hovedhensikten med denne oppgaven var å undersøke effekten av å modifisere en kvadratisk kunstig spinnis ved å inkludere sirkulære magnetiske nanodisker i gitteret. I forbindelse med dette ble det utført studier av magnetiske ringer, og av de enkelte nanomagnetene som utgjør byggesteinene til de kunstige spinnisene, for å bestemme viktige og nyttige eksperimentelle parametere.

Undersøkelsene ble utført både gjennom mikromagnetiske simuleringer, og gjennom avbildning av fabrikkerte prøver ved bruk av et magnetisk kraftmikroskop. Prøvene i mikroskopet ble holdt på kryogeniske temperaturer og utsatt for varierende magnetfelt. Fabrikasjon av de fysiske strukturene ble gjennomført med elektronstrålelitografi ved renromsfasilitetene til NTNU NanoLab.

Fra studiet av de magnetiske ringene ble retningen på magnetfeltet i det magnetiske kraftmikroskopet bestemt. Videre ble det koersive feltet til 2100 enkeltnanomagneter bestemt, hvilket ga et standardavvik på 1.8 mT relativt til et gjennomsnitt på 46 mT, som demonstrerer hvordan fabrikasjonsimperfeksjoner forårsaker variasjon i egenskapene til nominelt identiske magneter.

Simuleringer avdekket at å inkludere en magnetisk disk med tilstrekkelig stor diameter i de kunstig spinnis-gitterne gir en markert effekt ved påtrykning av et magnetfelt, ved at disken assisterer reversing av magnetiseringen til nabomagnetene. Den samme effekten ble også delvis sett i de magnetiske kraftmikroskopibildene av fysiske prøver med påføring av magnetiske felt. Bilder av magnetiseringstilstandene til fabrikkerte gitter, før påtrykning av felt, viste store områder med grunntilstandsording, og tilstandene deres så ikke ut til å bli endret av tilstedeværelsen av disker. Kunstige spinnis har et stort potensial når det gjelder å skreddersy egenskaper, og her vises muligheten til å delvis kontrollere hvor magnetiseringsreversering starter i gitteret, noe som kan være nyttig med tanke på anvendelse av disse systemene.

Artificial spin ices are magnetic metamaterials comprised of coupled nanomagnets placed on the sites of various lattices. They are interesting systems because they allow for tailoring of magnetic properties. Furthermore, they have the potential for use in novel applications, such as low-power computation. The main purpose of this thesis was to investigate the effect of modifying a square artificial spin ice by adding circular magnetic nanodisks into the lattices. Related to this, studies of magnetic rings and of the single nanomagnets that are the constituents of the artificial spin ices were performed to determine important and useful experimental parameters.

The investigations were carried out in a two-pronged fashion, both through micromagnetic simulations and through imaging of fabricated samples using magnetic force microscopy. The samples in the microscope were kept at cryogenic temperatures and subjected to varying applied fields. Fabrication of the samples was done using electron beam lithography at the NTNU NanoLab cleanroom facility.

From the study of the magnetic rings, the direction of the magnetic field in the magnetic force microscope was determined. Moreover, determining the switching field of 2100 single nanomagnets revealed a standard deviation of 1.8 mT relative to a mean of 46 mT, demonstrating how fabrication imperfections cause variation in properties of nominally identical magnets.

Simulations revealed that adding a disk of sufficiently large diameter to the square artificial spin ice array has a marked effect under the influence of magnetic fields. The disk acts as a nucleator for magnetization reversals of its neighboring magnets. The same effect was also partly seen in magnetic force microscopy images of physically realized samples subjected to magnetic fields. Additionally, images of the as-grown magnetization states of fabricated arrays displayed large areas of ground state ordering, and their states appeared not to be altered by the presence of the embedded disks. Artificial spin ices have a vast potential in the tailoring of properties, and here the ability to partly control where magnetization reversals start in the array is shown, which might be important with a view towards applications.