High frequency STM and spin polarized STM on magnetic vortices

Holl, Christian; Lounis, Samir; Morgenstern, Markus

doi:10.18154/RWTH-2019-00582

High frequency STM and spin polarized STM on magnetic vortices

Holl, Christian

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Christian Holl

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (140 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor) ; Lounis, Samir (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-11-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-00582
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/753398/files/753398.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Fe/W(110) (frei) ; defect pinning (frei) ; high frequency STM (frei) ; magnetic vortex core (frei) ; scanning tunneling microscopy (frei) ; spin polarized STM (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion und der Charakterisierung eines Hochfrequenzrastertunnelmikroskops (HF-RTM), das für Messungen im Ultrahochvakuum (UHV) bei einer Basistemperatur von 6K und mit Magnetfeldern bis 7T verwendet wird. Bei einem HF-RTM wird ein hochfrequentes Spannungssignal (1GHz) als Tunnelspannung zwischen Spitze und Probe angelegt, um dynamische Prozesse in der Probe anzuregen. Dies erfolgt beispielsweise durch eine dynamische Änderung des chemischen Potentials, oder durch Erzeugung eines hochfrequenten Tunnelstroms. Der angeregte Prozess kann dann über die Änderung des zeitlich gemittelten Tunnelstroms ausgelesen werden. Das RTM wird in drei Schritten entwickelt: Die erste Version des RTMs ist darauf optimiert, hochfrequente Spannungssignale an die Tunnelspitze anzulegen. Die Spitze ist an einen Hochfrequenzstecker geklebt. Die dazugehörige Buchse ist fest mit dem Mikroskopkörper verbunden, sodass sich die Spitze im Vakuum wechseln lässt. Die Leistungsfähigkeit dieses Aufbaus wird in einem Testaufbau bei Umgebungsbedingungen getestet und zeigt eine Zeitauflösung von 120ps bei gleichzeitiger atomarer Ortsauflösung. Die Zeitauflösung wird mittels einer Autokorrelationsmessung bestimmt, wobei der zeitlich gemittelte Tunnelstrom bestimmt wird, während der zeitliche Abstand zwischen zwei Tunnelspannungspulsen variiert wird. Die Autokorrelation zeigt eine zusätzliche Schwingung, die auf Resonanzen des elektrischen Felds im Mikroskopgrundkörper zurückgeführt werden kann. Im zweiten Schritt wird ein x/y Verschiebetisch im Spitzenmodul des Mikroskops nachgerüstet. Durch den Verschiebeweg von 2mm x 2mm muss das Koaxialkabel zur Spitze durch ein flexibleres Model ersetzt werden. Das Mikroskop wird in die UHV-Anlage mit Badkryostat integriert, wobei ein halbsteifes Koaxialkabel auf der Länge des Mikroskopeinsatzes verwendet wird. Die Leistungsfähigkeit dieses Aufbaus wird bei 77K mit flüssigem Stickstoff als Kühlmittel getestet. Die gemessene Zeitauflösung ist mit 160ps nur geringfügig schlechter als zuvor. Bei der Basistemperatur von 6K wurde das flexible Koaxialkabel leider zu steif, sodass der Verschiebtisch nicht mehr ordnungsgemäß funktionierte. Deshalb wird im dritten Entwicklungsschritt die Flexibilität des Kabels erhöht, indem die Isolation auf einer länge von etwa 1cm entfernt wird. Im Leistungstest ergibt sich nun eine Zeitauflösung von etwa 320ps. Die Autokorrelation zeigt Nebenmaxima, die sich auf mehrfach Reflexionen zwischen Tunnelspitze und dem modifizierten Kabelabschnitt zurückführen lassen. Eine Messung des Realteils der Transferfunktion zwischen Signalgenerator und Tunnelstrecke ergibt eine Bandbreite von nur 200MHz.Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einer magnetischen Textur und einzelnen Oberflächenadsorbaten untersucht. Hierfür werden Eisennanoinseln mit einem Durchmesser von etwa 300nm und einer Höhe von etwa 10nm durch Elekronenstrahlverdampfen von Eisen auf ein sauberes Wolfram (110) Substrat erzeugt. Diese Inseln weisen eine magnetische Vortexstruktur auf, die sich durch eine wirbelartige Magnetisierung im Außenbereich und durch eine probensenkrechte Magnetisierung (Durchmesser 12nm) in der Mitte auszeichnet. Dieser zentrale Vortexkern ist im wesentlichen eine 0-dimensionale Domänenwand, die mittels eines proportionalen Magnetfelds parallel zur Probenoberfläche lateral in beide Richtungen verschoben werden kann. Zusätzlich kann der Kern mittels eines Probensenkrechten Magnetfelds zusammengedrückt werden, wobei die Energiedichte der Austauschwechselwirkung vergrößert wird, sodass die Wechselwirkungsstärke mit Adsorbaten erhöht wird. Mittels spinpolarisierter RTM werden nicht nur die Oberflächenadsorbate auf der Insel abgebildet, sondern es wird auch die magnetische Struktur aufgezeichnet. Hierdurch kann die Vortexkernposition mit atomarer Präzision mit den Adsorbatpositionen korreliert werden. Die Wechselwirkung zwischen Vortexkern und Sauerstoffadsorbaten wird untersucht, indem der Kern mittels oberflächenparallelem Magnetfeld entlang eines vorbestimmten Zielpfads geführt wird und dabei die adsorbatinduzierte Abweichung der Kernposition von der Ideallinie beobachtet wird. Es wird beobachtet, dass die Feldbeweglichkeit dr/dB des Kerns reduziert ist, wenn dieser durch ein Adsorbat gepinnt wird. Die Pinningstärke wird erhöht, wenn der Kerndurchmesser durch ein oberflächensenkrechtes Magnetfeld von -1.5T auf einen Durchmesser von 3.8nm reduziert wird, wodurch die Dichte der Austauschwechselwirkung erhöht wird. Durch den Vergleich mit mikromagnetischen Simulationen kann die Pinningenergie zu 221meV bestimmt werden. Mittels ab-initio Rechnungen wird gezeigt, dass die Sauerstoffadatome eine anisotrope Änderung der Austauschwechselwirkung in benachbarten Substratatomen hervorruft, was auch die exzentrische Pinningposition des Kerns erklärt.

This thesis describes the design and performance of a newly developed high frequency scanning tunneling microscope (HF-STM), suitable for measurements in ultra high vacuum (UHV) at a base temperature of 6K and with magnetic fields up to 7T. The key concept of HF-STM is to employ a high frequency voltage signal on the order of a GHz as tunneling voltage. This time dependent tunneling voltage can excite sample dynamics, e.g., by altering the local chemical potential or by driving a time dependent tunneling current. The dynamic sample response can be measured as a change in the direct tunnel current. The STM is developed in three steps: The first version of the STM is specifically optimized towards application of high frequency voltage signals to the tunneling tip. The tip is connected to a high frequency plug, with the counterpart rigidly mounted to the STM body. Thus, the tip can be exchanged without breaking the UHV. The performance of this STM is tested on a table-top setup and shows a time resolution of 120ps together with atomic spatial resolution. The time resolution is measured by a pulse autocorrelation technique, where a time averaged tunnel current is measured with respect to the time delay between two tunnel voltage pulses. The autocorrelation shows an additional oscillation, which can be attributed to a resonance of the electric field in the microscope cavity. In the next step, an x/y-coarse positioning stage is integrated into the tip module of the microscope. Its field of view of 2x2mm requires the use of a flexible coaxial cable for the tunneling voltage signal. This microscope is integrated into the UHV-system with helium bath cryostat, using a semi rigid coaxial cable for HF wiring of the microscope insert. The HF performance of this configuration is tested at 77K with liquid nitrogen as cooling agent and shows a slightly degraded time resolution of 160ps. At the final base temperature of 6K, the coarse positioning stage was not working due to the increased stiffness of the flexible coaxial wire. This required a third development step, where the outer insulator of the coaxial cable is stripped on a length of 1cm to increase the cable flexibility. The final performance test reveals, that the cable stripping reduced the time resolution to approximately 320ps. The autocorrelation shows distinct side peaks, which can be attributed to multiple resonances between STM tip and the stripped part of the flexible coaxial cable. Measurement of the real part of the transfer function between signal generator and tunnel junction reveals a bandwidth of only 200MHz.In the second part of this thesis, the interaction of a magnetic texture with atomic size defects is investigated. For this, iron nano-islands with a diameter of approx. 300nm and a height of approx. 10nm are prepared by electron beam evaporation of Fe onto a clean tungsten (110) substrate in UHV. These islands exhibit a magnetic vortex, which is characterized by a curled magnetization on the outskirt of the island and an out-of-plane magnetized core (diameter of 12nm) in the center. The core is basically a zero-dimensional domain wall, that can be positioned laterally in both directions by application of a proportional in-plane magnetic field. Furthermore, it can be compressed in diameter by a perpendicular field to increase the exchange energy density and, thus, the interaction strength with the defects. Spin polarized STM is used to image not only the atomic size adsorbates on the surface, but also to map the magnetization of the island. This way, the vortex core position and the defect position can be correlated with atomic precision. The interaction between the vortex core and oxygen adsorbates on the island surface is investigated by forcing the vortex core by the in-plane magnetic field along a well defined path and recording, how the core position is affected by the adsorbates. It is observed, that the displacement rate dr/dB of the core is reduced, when the core is pinned by an adsorbate. The pinning force increases, when the core is reduced in diameter to a diameter of 3.8nm by a perpendicular field of -1.5T, which increases its exchange energy density. By comparison with micromagnetic simulations, the pinning energy of the squeezed core with respect to a single oxygen adatom is determined to be 221meV. Ab initio based calculations show, that the adatoms induce an anisotropic exchange interaction in the neighboring substrate atoms, which explains the observed eccentric pinning position of the core.

OpenAccess:
PDF
(additional files)