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A Magnetic Force Microscopy Investigation of alpha-Fe, Fe3C and Permalloy Nanowires under Applied Magnetic Fields

Lutz, Matthias Uljas

German Title: Eine Magnetkraftmikroskopie Untersuchung von alpha-Fe, Fe3C und Permalloy Nanodrähten unter Angelegten Magnetfeldern

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Abstract

This thesis provides experimental insight into the role of anisotropies in magnetic wires at the nanoscale. While fundamental properties of magnetic nanowires are well described theoretically, real systems are subject to imperfections which in particular affect the mechanism and dynamics of magnetization reversal. Therefore, not only fundamental material parameters but also detailed investigations of the field dependent magnetic properties are essential before the vast potential of magnetic nanowires can be exploited. In the thesis at hand, a magnetic force microscope (MFM) with internal magnetic fields was employed to study the remanent behavior of the nanowires and the effects of applied fields. A physical characterization allows one to connect the morphology of the wire to its magnetic response. The magnetic characteristics of two types of nanowires are studied. Firstly, alpha-Fe and Fe_3C nanowires naturally formed within multiwalled carbon nanotubes. Secondly, tailored nanowires arranged in patterns causing well defined interactions. For the carbon coated nanowires, the results highlight the importance of anisotropies in deciding the behavior of magnetic nanowires. For the artificial nanostructures, frustration imposed on the single domain magnets yields novel effects highlighting that the wires can be used as a model system for quantum processes. In both cases the shape, either imposed by the rigid cage of a carbon nanotube or tailored to ones specifications, is crucial in the context of the magnetic properties. Also the MFM tip itself plays a deciding role as it can cause switching in the magnet it is measuring. The results give new insight into the physics of magnetic nanowires and lay the groundwork for potential applications.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit untersucht die Rolle der Anisotropien in nanoskaligen magnetischen Drähten. Die grundlegenden Eigenschaften sind theoretisch gut beschrieben, während reale Systeme Defekte aufweisen, welche insbesondere den Mechanismus und die Dynamik der Ummagnetisierungsprozesse beeinflussen. Für das Verständnis und die Anwendung magnetischer Nanodrähte ist daher sowohl die Kenntnis der relevanten Materialparameter als auch das Verhalten in externen Magnetfeldern von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Dissertation wurde die Magnetkraftmikroskopie (MFM) in externen Magnetfeldern eingesetzt, um das remanente Verhalten und den Effekt externer Felder zu untersuchen. Eine topographische Charakterisierung erlaubt es dabei, die Morphologie eines Drahtes mit Details des magnetischen Zustandes zu korrelieren. Dabei werden zwei unterschiedliche Klassen von Nanodrähten studiert. Einerseits alpha-Fe und Fe_3C Nanomagnete, welche auf natürliche Weise im Inneren von Kohlenstoffnanoröhren entstehen. Zum anderen künstlich erzeugte Nanodrähte, die in Mustern angeordnet wurden, um spezielle Wechselwirkungen untersuchen zu können. Die Untersuchung der mit Kohlenstoff umhüllten Nanodrähte verdeutlicht die wichtige Rolle der Anisotropien für die auftretenden magnetischen Eigenschaften. Bei den künstlichen Nanostrukturen erzeugt die den eindomänigen Magneten auferlegte Frustration neuartige Effekte und diese Systeme können somit als Modellsystem für Quantenprozesse dienen. In beiden Fällen ist es die äußere Form der Magnete, welche die magnetischen Eigenschaften maßgeblich beeinflusst. Auch die MFM-Spitze spielt eine entscheidende Rolle, sie kann während dem Messen Schaltprozesse auslösen. Insgesamt gewähren die Ergebnisse neue Einblicke in die Physik magnetischer Nanodrähte und bieten eine Grundlage für mögliche Anwendungen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Klingeler, Prof. Dr. Rüdiger
Date of thesis defense: 26. July 2012
Date Deposited: 25. Sep 2012 13:55
Date: 2012
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Nanodraht, Ferromagnetismus, Kraftmikroskopie, Kohlenstoff-Nanoröhre
Uncontrolled Keywords: MFM
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