Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Magnetism. --- Quantum theory.

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Inleiding Magnetisme speelt een belangrijke rol in de huidige technologische samenleving en wordt gebruikt in tal van toepassingen. Op medisch vlak wordt magnetisme zinvol toegepast in scanners met een hoge resolutie. Verder wordt er veel onderzoek verricht naar magnetische nanodeeltjes die nuttig kunnen zijn bij het bestrijden van verschillende ziektes. Dergelijke magnetische deeltjes kunnen gebruikt worden om medicijnen te vervoeren naar een specifieke plaats in het lichaam, bv. een tumor. Deze deeltjes kunnen namelijk gestuurd worden door het aanleggen van een magneetveld. Andere voorbeelden van de toepasbaarheid van magnetisme kan men vinden in de huidige informatie- en communicatietechnologie. Denk maar aan videobanden, kredietkaarten, sensoren, harde schijven, … Omwille van de huidige en nieuwe aanstromende technologie, blijft magnetisme een uitdagend onderzoeksdomein. In deze thesis wordt het exchange bias effect onderzocht in polykristallijne Co/CoO dubbellagen. Dit exchange bias effect wordt gekarakteriseerd door een horizontale verschuiving van de ferromagnetische hysteresislus en is het gevolg van de ‘exchange’ koppeling aan het grensvlak tussen een ferromagnetische laag (bv. Co, Fe, Ni,… ) en een antiferromagnetische laag (bv. CoO, FeMn, NiO,… ). De antiferromagnetische laag wordt bijna niet beïnvloed door een uitwendig aangelegd magneetveld aangezien dergelijk materiaal geen macroscopische magnetisatie bezit. Bijgevolg kan de magnetisatie van de ferromagnetische laag gestabiliseerd worden in een bepaalde richting door deze te koppelen met een antiferromagnetische laag. Dergelijke stabilisatie van de ferromagnetische laag werd reeds in 1956 ontdekt door Meiklejohn en Bean, maar tot op heden is er nog steeds geen betrouwbare theoretische verklaring voor dit fenomeen. De grootste oorzaak voor het uitblijven van een goed inzicht is de moeilijkheid om de magnetische configuratie van beide lagen aan het grensvlak zichtbaar te maken. Het resultaat is dat er vandaag verschillende theoretische modellen bestaan die andere fysische parameters gebruiken, zoals ruwheid, korrelgrootte, een al dan niet gecompenseerde antiferromagnetische grenslaag, loodrechte koppeling, anisotropieëen,… Naast de horizontale verschuiving van de hysteresislus die het exchange bias effect karakteriseert, zijn er nog andere fenomenen die met dit effect direct in verband kunnen gebracht worden, zoals een verbreding van de hysteresislus, een training effect, een asymmetrische hysteresislus, magnetische relaxatie, een verticale verschuiving van de hysteresislus en een positief exchange bias effect. De microscopische oorsprong van sommige van deze fenomenen is nog steeds onduidelijk. Eén van deze fenomenen, het training effect, is het onderwerp van deze thesis. Het training effect is een geleidelijke vermindering van de horizontale verschuiving van de hysteresislus wanneer de dubbellaag aan opeenvolgende hysteresislussen wordt onderworpen. Het is algemeen aanvaard dat het training effect verbonden is met een gewijzigde spinstructuur van de antiferromagnetische laag ten gevolge van een cyclisch variëerend magneetveld. De microscopische oorsprong van het training effect is evenwel nog altijd een onderwerp van discussie. Dit wordt weerspiegeld door de verschillende modellen met uiteenlopende fysische achtergronden die het training effect proberen te verklaren. Het doel van de thesis is tweeledig. Eerst en vooral willen we meer inzicht verwerven in het training effect en de daarbij horende ferromagnetische domeinstructuur in polykristallijne Co/CoO dubbellagen. Het Co/CoO exchange bias systeem werd geselecteerd omdat het gekend staat voor een uitgesproken training effect en asymmetrische hysteresislus onmiddellijk na koelen in de aanwezigheid van een uitwendig magneetveld. Als tweede doel werd er vooropgesteld om het training effect terug te draaien, of met andere woorden, de dubbellagen terug te initialiseren naar de toestand die wordt bekomen na veldkoelen. Twee methoden worden toegepast om de dubbellagen naar hun oorspronkelijke toestand te laten terugkeren. Bij de eerste methode wordt er een groot magneetveld aangelegd in de richting van het koelveld. Bij de tweede methode wordt er een hysteresislus uitgevoerd in het vlak, maar loodrecht op de koelrichting. De tweede methode blijkt veel efficiënter voor het recupereren van de originele toestand van de dubbellagen na veldkoelen. Experimentele technieken De structuur van de CoO laag wordt bestudeerd met behulp van x-stralenreflectometrie en atomaire krachtmicroscopie. De atomaire krachtmicroscoop gebruikt een zeer scherpe naald (tip) die het oppervlak aftast en hierbij de van der Waals interactiekracht tussen tip en sample detecteert. Op deze manier wordt een topografisch beeld van het oppervlak gevormd. Voor het bestuderen van de ferromagnetische Co laag worden verschillende technieken aangewend. Er werd een lage temperatuur magnetische krachtmicroscoop (LT-MFM) gebouwd om de domeinstructuur van de Co laag tijdens de verschillende stadia van de hysteresislus te bestuderen. De LT-MFM maakt gebruik van hetzelfde principe als de atomaire krachtmicroscoop. Bij de LT-MFM wordt de tip bedekt met een dun magnetisch laagje en bijgevolg kan men de magnetische interactie tussen de tip en het sample-oppervlak opmeten. Op deze manier kan de domeinstructuur van het sample in beeld gebracht worden. Fig. 1 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de belangrijkste onderdelen van de huisgebouwde LT-MFM opstelling. De LT-MFM wordt afgekoeld in een cryogene opstelling die gekenmerkt wordt door 3 onafhankelijke supergeleidende spoelen. Bijgevolg kan een magneetveld aangelegd worden in de 3 ruimtelijke richtingen, wat een grote meerwaarde betekent voor de LT-MFM. De magnetisatie-metingen van de ferromagnetische Co laag worden uitgevoerd met behulp van het magneto-optisch Kerr effect (MOKE) bij kamertemperatuur. Het anisotrope magnetoweerstandseffect (AMR), de ‘vibrating sample magnetometer’ (VSM) en gepolariseerde neutronenreflectometrie (PNR) worden aangewend om de magnetisatie van de Co laag te bestuderen bij lage temperatuur. Het AMR effect wordt nauwkeurig opgemeten door de Co/CoO dubbellaag te integreren in een Adler-Jackson weerstandsbrug. De AMR metingen worden uitgevoerd in de cryogene opstelling die ook voor de LT-MFM metingen gebruikt wordt. Gepolariseerde neutronenreflectometrie (PNR) wordt gebruikt om de magnetisatie-richtingen van de ferromagneet tijdens de verschillende hysteresislussen na te gaan. De metingen worden uitgevoerd met de V6 reflectometer-opstelling in het Hahn-Meitner-instituut te Berlijn. De gepolariseerde neutronen, waarvan het magnetisch moment parallel (up) of antiparallel (down) georiëenteerd is met het aangelegde veld, worden weerkaatst op het sample. De intensiteit van de gereflecteerde neutronenbundel wordt opgemeten door een detector die zodanig gepositioneerd is dat de weerkaatsingshoek identiek is aan de invalshoek. Door gebruik te maken van een analysator, gepositioneerd net voor de detector, kunnen 4 verschillende intensiteiten (R++, R--, R-+ en R+-) opgemeten worden. De R++ en R-- signalen, waarbij het magnetisch moment van de neutronen onveranderd blijft, geven informatie over de structuur en de magnetisatie-component van het sample in het vlak dat evenwijdig is met het aangelegde veld. De R+- en R-+ reflectiviteiten, waarbij het magnetisch moment van de neutronen omkeert door interactie met het sample, geven enkel informatie van magnetische oorsprong. De spin-flip reflectiviteiten zijn evenredig met het kwadraat van de magnetisatie-component in het vlak van het sample en loodrecht op het aangelegde veld. Karakterisatie van de structurele en magnetische eigenschappen De polykristallijne Co/CoO dubbellagen worden vervaardigd door het opdampen van ongeveer 20 nm Co bij kamertemperatuur op een geoxideerd Si substraat door middel van DC magnetronverstuiving (DC-sputtering) of moleculaire-bundel-epitaxie. Vervolgens wordt de gegroeide Co laag in situ in een zuurstofatmosfeer gebracht bij een druk van ongeveer 10-3 mbar gedurende 2 minuten. Uit atomaire krachtmicroscopie volgt dat de CoO laag een typische korrelstructuur heeft met een gemiddelde diameter van ongeveer 26 nm. De verdeling van de korrelgroottes kan benaderd worden door een lognormale verdeling. Uit de x-stralenmetingen blijkt dat de dikte van de CoO laag ongeveer 2 nm is. X-stralenmetingen tonen verder aan dat de Co laag voornamelijk bestaat uit een polykristallijne hexagonale dichtgepakte structuur. MOKE metingen bij kamertemperatuur laten zien dat er een uniaxiale anisotropie aanwezig is in de Co laag, consistent met de hexagonale kristalkorrels. De temperatuursafhankelijkheid van de weerstand van de Co laag kan beschreven worden met behulp van de Bloch-Grüneisen integraal. De parameter m in de Bloch-Grüneisen integraal neemt de waarde 3 aan tijdens de fit procedure, wat verklaart kan worden doordat de Co laag een korrelige structuur heeft. Electron-magnon verstrooiing in Co is verwaarloosbaar klein, en bijgevolg wordt de temperatuursafhankelijkheid van de weerstand beschreven door een T3 wet. Het trainingseffect in Co/CoO dubbellagen Het exchange bias effect in de Co/CoO dubbellaag wordt tot stand gebracht door het systeem te koelen in de aanwezigheid van een magneetveld. Het magneetveld is noodzakelijk om de ferromagneet te satureren, maar verder is de grootte van het magneetveld onbelangrijk. Fig. 2 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de eerste drie hysteresislussen nadat het systeem gekoeld werd tot 5K in een magneetveld van 400 mT. De hysteresislussen vertonen een duidelijke horizontale verschuiving in de tegengestelde richting als de koelveldrichting. In de eerste hysteresislus kan een duidelijke asymmetrische vorm waargenomen worden. De eerste magnetisatie-omkering in de afnemende tak is abrupt en wordt gedomineerd door domeinwandverschuiving. De daaropvolgende magnetisatie-omkeringen zijn meer geleidelijk en worden gekarakteriseerd door een rotatie van de magnetisatie. Het training effect in Co/CoO dubbellagen kan beschreven worden met een model waarbij vele onafhankelijke antiferromagnetische korrels met een grootte Gi gekoppeld zijn aan één enkel ferromagnetisch domein. Volgens Hoffmann zijn er meerdere gemakkelijke assen nodig om het training effect te observeren. Bijgevolg wordt elke antiferromagnetische korrel opgebouwd uit verschillende (drie) gemakkelijke assen en die assen zijn willekeurig georiënteerd tussen de verschillende korrels. Verder wordt er een ferromagnetische interactie verondersteld tussen de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie en het ferromagnetische domein. De totale energie van het model is de som van de antiferromagnetische magneto-kristallijne anisotropie energie, de exchange koppelingsenergie en de Zeeman energie. Het model is in staat het training effect in Co/CoO dubbellagen te beschrijven. De minimalisatie van de energie toont aan dat na veldkoelen de ongecompenseerde magnetisatie van de antiferromagnetische korrels gemiddeld langs de koelrichting gericht is. Na een volledige hysteresislus maakt de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie bij saturatie gemiddeld een hoek van -21.5° met het aangelegde magnetische veld. De richtingsverandering van de gemiddelde ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie is de oorzaak van het trainingseffect. Om een beeld te vormen over de veranderende domeinstructuur van de ferromagnetische Co laag tijdens het training effect worden LT-MFM metingen uitgevoerd. Na veldkoelen wordt er geen magnetisch contrast waargenomen, maar na de eerste magnetisatie-omkering tijdens de afnemende tak van de hysteresislus ontstaat een duidelijke magnetische structuur met een golflengte van ongeveer 1 m. De magnetische domeinen blijven zelfs zichtbaar bij het aanleggen van een magneetveld dat de ferromagneet satureert. De LT-MFM metingen zijn in overeenstemming met de AMR metingen, die een weerstandsverandering aan het licht brengen na de eerste magnetisatie-omkering. De weerstandsverandering wijst op een verandering van de ferromagnetische domeinstructuur. De terugkeer naar de oorspronkelijke toestand Een tweede doelstelling van deze thesis is de dubbellaag terug te initialiseren naar de toestand die bekomen wordt na veldkoelen, zonder het sample terug op te warmen. Een voor de hand liggende methode is het aanleggen van een groot magneetveld in de koelrichting om op die manier de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie terug in de veldkoelrichting te brengen. Er wordt aangetoond dat het aanleggen van een DC magneetveld van 12 T onvoldoende is om de ongecompenseerde magnetisatie duidelijk te beïnvloeden. Om nog hogere velden te bekomen wordt een gepulst magneetveld van 34.5 T aangelegd langs de veldkoelrichting. Fig. 3(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) toont de eerste twee hysteresislussen na veldkoeling, waarbij tijdens de eerste magnetisatie-omkering een kleine weerstandsverandering optreedt en de daaropvolgende magnetisatie-omkeringen komen overeen met een grote weerstandsverandering. Dit wijst op domeinwandverschuiving tijdens de eerste magnetisatie-omkering en rotatie tijdens de daaropvolgende omkeringen. Fig. 3(b) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) geeft twee hysteresislussen weer die gemeten zijn na het aanleggen van een gepulst veld van 34.5 T. De magnetisatie-omkering in de afnemende tak van de hysteresislus na het gepulste veld wordt gekarakteriseerd door minder rotatie (kleinere weerstandsverandering) en vindt plaats bij een hoger negatief veld in vergelijking met de getrainde lus. Dit is de eerste keer dat een duidelijke toename van de horizontale verschuiving van de hysteresislus wordt waargenomen door het aanleggen van een gepulst veld langs de koelrichting. De toename van het exchange bias effect is ook een indirect bewijs van de ferromagnetische koppeling tussen de Co en de CoO laag. De resultaten van het aanleggen van een gepulst veld kunnen niet verklaard worden door gebruik te maken van voorgaande energievergelijking, aangezien er geen term aanwezig is die de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie direct koppelt met het uitwendige magneetveld. Men zou dit kunnen oplossen door een term in de energievergelijking bij te voegen die Zeeman-energie tussen het ongecompenseerde moment van de antiferromagnetische korrels en het uitwendige veld afschat. Dergelijke term is verantwoordelijk voor het richten van de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie langs de veldkoelrichting. Een tweede en efficiëntere manier om de Co/CoO dubbellaag terug te brengen naar zijn originele toestand na veldkoelen is het aanleggen van een hysteresislus in het vlak van het sample en loodrecht op de veldrichting. Dit wordt verder de loodrechte hysteresislus genoemd. Dit verrassende resultaat is samengevat in Fig. 4 (zie samenvatting doctoraatsproefschrift). Voor elk datapunt in Fig. 4(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift) wordt de Co/CoO dubbellaag gekoeld in een magneetveld van 400mT totdat een temperatuur van 10K bereikt wordt. Vervolgens worden twee hysteresislussen gemeten langs het koelveld om de asymmetrie de eerste hysteresislus te verwijderen. Nadien wordt een loodrechte hysteresislus aangelegd met een maximaal magneetveld dat is weergegeven op de horizontale as van Fig. 4(a) (zie samenvatting doctoraatsproefschrift). Tenslotte wordt er opnieuw een hysteresislus aangelegd langs de koelrichting en wordt er nagegaan of de originele toestand na veldkoelen terug wordt bekomen. Elk datapunt van de grafiek stelt de asymmetriegraad voor en deze is gedefinieerd als het hoogteverschil tussen beide AMR pieken gedeeld door de verandering van het AMR signaal bij het tweede coërcitieve veld. Wanneer het loodrechte veld een maximale waarde van 150 mT bereikt, wordt de initiële toestand na veldkoelen grotendeels hersteld (zie Fig. 4(b) in de samenvatting van het doctoraatsproefschrift). Het is merkwaardig dat de asymmetrie opnieuw verdwijnt als het loodrechte magneetveld groter is dan 400 mT. PNR en SQUID metingen bevestigen het heroptreden van de initiële toestand. LT-MFM metingen tonen verder aan dat de domeinstructuur, die na de eerste magnisatie-omkering ontstaat, gedeeltelijk kan verwijderd worden door het uitvoeren van de loodrechte hysteresislus. Er wordt aangetoond dat het effect van het aanleggen van een loodrechte hysteresislus volledig kan verklaard worden met behulp van de energie vergelijking. Wanneer in de berekeningen het maximale loodrechte veld een waarde bereikt van 90 mT, zal de ongecompenseerde magnetisatie gemiddeld gericht zijn volgens de koelveldrichting en bijgevolg wordt de initiële situatie na veldkoelen opnieuw bekomen. Hoe meer het loodrechte veld de waarde van 90 mT overschrijdt, hoe verder de ongecompenseerde antiferromagnetische magnetisatie zich gemiddeld van de koelrichting verwijdert. Bijgevolg verdwijnt de asymmetrische hysteresislus opnieuw. Aangezien het uitgebreide Fulcomer en Charap model het effect van de loodrechte hysteresislus volledig beschrijft,

Academic collection --- 53 --- 537.6 --- 537.6 Magnetism --- Magnetism --- Theses

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Metamaterials --- Electromagnetism --- Métamatériaux --- Électromagnétisme --- Electromagnetism. --- Metamaterials. --- Meta materials --- Electromagnetics --- Composite materials --- Magnetic induction --- Magnetism --- Electricity & Magnetism

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

First published in 1941, Julius Stratton's classic Electromagnetic Theory has been a mainstay for generations of students, researchers, and scientists. This classic reissue of the original features a Foreword to the Classic Reissue by Dr. Donald G. Dudley that details the book's contribution to the field and an introductory biography by Dr. Paul E. Gray, former MIT President and colleague of Dr. Stratton.

This respected and frequently cited text remains as useful and relevant as ever, with areas of particular interest to today's students and researchers that include: . The discussion of Hansen vector wave functions. The outstanding treatment of phase and group velocity. The Stratton-Chu formulation for integration of the vector Helmholtz equations. The development of the source-free solutions for a circular cylinder in a lossy medium. The treatment of spherical vector wave expansions The IEEE Press Series on Electromagnetic Wave Theory offers outstanding coverage of the field. It consists of new titles of contemporary interest as well as reissues and revisions of recognized classics by established authors and researchers. The series emphasizes works of long-term archival significance in electromagnetic waves and applications. Designed especially for graduate students, researchers, and practicing engineers, the series provides affordable volumes that explore and explain electromagnetics waves beyond the undergraduate level. First published in 1941, Julius Stratton's classic Electromagnetic Theory has been a mainstay for generations of students, researchers, and scientists. This classic reissue of the original features a Foreword to the Classic Reissue by Dr. Donald G. Dudley that details the book's contribution to the field and an introductory biography by Dr. Paul E. Gray, former MIT President and colleague of Dr. Stratton. This respected and frequently cited text remains as useful and relevant as ever, with areas of particular interest to today's students and researchers that include: . The discussion of Hansen vector wave functions. The outstanding treatment of phase and group velocity. The Stratton-Chu formulation for integration of the vector Helmholtz equations. The development of the source-free solutions for a circular cylinder in a lossy medium. The treatment of spherical vector wave expansions The IEEE Press Series on Electromagnetic Wave Theory offers outstanding coverage of the field. It consists of new titles of contemporary interest as well as reissues and revisions of recognized classics by established authors and researchers. The series emphasizes works of long-term archival significance in electromagnetic waves and applications. Designed especially for graduate students, researchers, and practicing engineers, the series provides affordable volumes that explore and explain electromagnetics waves beyond the undergraduate level.

Electromagnetic theory. --- Electromagnetic theory --- Physics --- Physical Sciences & Mathematics --- Electricity & Magnetism

Choose an application

• Reference Manager
• EndNote
• RefWorks (Direct export to RefWorks)

Magnetics --- Magnetic Resonance Imaging --- Magnetic Resonance Spectroscopy --- Magnetism --- Medical physics --- Magnetotherapy