Δυναμική της μαγνήτισης σε πεπερασμένη θερμοκρασία σύνθετων νανοδομικών υλικών

Abstract

Elongated magnetic nanowires are characterized by enhanced anisotropy due to their shape and hold promises for major advances in different areas of modern technology ranging from magnetic recording and spintronics to biomedicine. A new perspective in magnetic memory devices has also emerged, stimulated by the manifested feasibility to manipulate the domain wall motion in these quasi one-dimensional nanostructures and paved new paths for information storage and spintronics applications. In this effort to develop magnetic materials with desired properties, the exchange bias effect has long been recognized as a means totailor the hysteresis characteristics of nanostructured magnetic materials while the fundamental research related to magnetic nanostructures remains to revealthe various factors that govern the magnetization reversal mechanism. In chapter 1, we describe the basic interactions controlling the magnetic behavior of the studied systems and the magnetic ordering originating from their competition. We also perform an introductory interpretation of the exchange - bias effect and elucidate basic theory of magnetic nanowires and magnetic solitonic textures which are the fundamentals of this thesis. In chapter 2, we introduce the computational micromagnetic approach that we use to model the magnetic structure of the studied systems and the Metropolis Monte Carlo simulation from which numerical results are derived. In chapter 3, we study the magnetic properties of cylindrical ferromagnetic core / antiferromagnetic shell nanowires in order to elucidate the impact of the oxidized shell on the magnetic properties and the magnetization reversal mechanism. We find that the coupling to the antiferromagnetic shell introduces a complex reversal mechanism comparing with the bare ferromagnetic nanowires. We also demonstrate that the coupling to a polycrystalline antiferromagnetic shell leads to maximum exchange - bias in an off - axis direction. In addtion, polysrystallinity increases the critical core diameter for transition from transverse to vortex domain walls. Our results are in qualitative agreement with recent experimental studies of Co/CoO nanowires.“Domain wall traps” have been engineered and well exploited in nanostrips by creating a geometrical trapping site, e.g. a single notch along a stripe. In chapter 4, we report our systematic study on the domain wall structure and its nucleation / propagation in tri-segmented diameter - modulated ferromagnetic nanowires. We find out that the magnetization behavior of single DM - NWs exhibits the significance of positional ordering of thick and thin segments, distinguished by two distinct geometries including: dumbbell - type (type I) and rolling pin - type (type II). Based on our numerical simulations, it was evidenced that the wide - narrow junctions create trap sites for domain walls where the narrow segment restricts their motion. In chapter 5, we study the formation of magnetic skyrmions in curved geometries such as nanotubes. We address systematically the impact of curvature in the formation and in the geometrical features of magnetic skyrmions, defining the limitations in which this formation is stable. Finally, in chapter 6, we summarize the basic conclusions of this thesis and wehighlight some open questions for future research.

Τα μαγνητικά νανοσύρματα και οι νανοσωλήνες παρουσιάζουν ιδιαίτερο τεχνολογικό ενδιαφέρον εξαιτίας της αυξημένης ανισοτροπίας σχήματος που παρουσιάζουν. Ακόμα, η σχεδόν μονοδιάστατη γεωμετρία τους επιτρέπει την ελεγχόμενη διάδοση μαγνητικών αυτο-εντοπισμένων (σολιτονικών) διεγέρσεων (μαγνητικά τοιχώματα, σκυρμιόνια) που μπορούν να αξιοποιηθούν ως φορείς ψηφιακής πληροφορίας σε διατάξεις μονοδρομικής μνήμης. Σε αυτό το πλαίσιο, το φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής προτείνεται ως φυσικός μηχανισμός ελέγχου της ανισοτροπίας των μαγνητικών νανοσυρμάτων, ενώ διερευνάται ο σχηματισμός των μαγνητικών διεγέρσεων αλλά και μέθοδοι που επιτρέπουν τον έλεγχο της διάδοσής τους. Απώτερος σκοπός είναι η ανάδειξη των μικροσκοπικών μηχανισμών αντιστροφής της μαγνήτισης που μπορούν να οδηγήσουν στη βελτιστοποίηση των τεχνολογικών εφαρμογών τους. Στο κεφάλαιο 1, περιγράφονται οι βασικές αλληλεπιδράσεις που διέπουν τη μαγνητική συμπεριφορά των συστημάτων που μελετώνται καθώς και οι διαφορετικές περιπτώσεις μαγνητικής διάταξης που προκύπτουν από τον ανταγωνισμό αυτών των αλληλεπιδράσεων. Πραγματοποιείται εισαγωγική αναφορά στο φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής αλλά και στις μαγνητικές διαμορφώσεις σολιτονικού χαρακτήρα και στα μαγνητικά νανοσύρματα, που αποτελούν το τρίπτυχο μελέτης της παρούσας διατριβής. Στο κεφάλαιο 2, παρουσιάζεται η υπολογιστική μικρομαγνητική μέθοδος μοντελοποίησης μέσω της οποίας γίνεται η περιγραφή των φυσικών συστημάτων αλλά και η μέθοδος Metropolis Monte Carlo που είναι η μέθοδος προσομοίωσης μέσω της οποίας παράγονται τα αριθμητικά αποτελέσματα. Στο κεφάλαιο 3, μελετάται το φαινόμενο πόλωσης - ανταλλαγής σε κυλινδρικά νανοσύρματα μορφολογίας σιδηρομαγνητικού (ΣΔ) πυρήνα / αντισιδηρομαγνητικού (ΑΣ) φλοιού με σκοπό τη διερεύνηση (α) της δυνατότητας διαμόρφωσης της ενεργού ανισοτροπίας του συστήματος και (β) του μηχανισμού διάδοσης των μαγνητικών τοιχωμάτων. Η μελέτη ανέδειξε το ρόλο του ΑΣ φλοιού στη διαμόρφωση ενός πολύπλοκου μηχανισμού αντιστροφής της μαγνήτισης σε σχέση με τα απλά ΣΔ νανοσύρματα, ενώ η ύπαρξη πολυκρυσταλλικότητας στο φλοιό, εισάγει έναν επιπλέον άξονα εύκολης μαγνήτισης, που οδηγεί σε βελτιστοποίηση του φαινομένου πόλωσης - ανταλλαγής σε διεύθυνση εκτός του κεντρικού άξονα. Επίσης, οδηγεί και σε αύξηση της κρίσιμης διαμέτρου στην οποία πραγματοποιείται μετάβαση από εγκάρσια μαγνητικά τοιχώματα σε μαγνητικές δίνες. Τα αποτελέσματα είναι σε ποιοτική συμφωνία με πρόσφατες πειραματικές μελέτες νανοσυρμάτων Co/CoO. Στο κεφάλαιο 4, μελετάται η αξιοποίηση της χωρικής διαμόρφωσης της διαμέτρου ενός ΣΔ νανοσύρματος με σκοπό τη δυνατότητα ελεγχόμενης παγίδευσης των μαγνητικών τοιχωμάτων. Η ελεγχόμενη παγίδευση μαγνητικών τοιχωμάτων σε σχεδόν μονοδιάστατα μαγνητικά συστήματα, αποτελεί απαραίτητο στοιχείο προκειμένου αυτά να αξιοποιηθούν σε μελλοντικές διατάξεις μαγνητικής μνήμης. Σε συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα, συμπεραίνεται ότι οι στενώσεις κατά μήκος ενός νανοσύρματος λειτουργούν ως ελεγχόμενα (από το εξωτερικό πεδίο) κέντρα παγίδευσης. Στο κεφάλαιο 5, μελετώνται οι συνθήκες σχηματισμού μαγνητικών σκυρμιονίων σε σύνθετα κυλινδρικά νανοσύρματα με πυρήνα βαρέος μετάλλου (HM) και φλοιό σιδηρομαγνητικό. Τα εν λόγω νανοσύρματα προτείνονται ως εναλλακτική προοπτική για την αντιμετώπιση της εξαΰλωσης των σκυρμιονίων σε επίπεδες νανολωρίδες με ελεύθερα άκρα εξαιτίας του σκυρμιονικού φαινομένου Hall και της παρουσίας των ελεύθερων άκρων. Αναδεικνύεται η δυνατότητα σταθεροποίησης σκυρμιονίων σε κυλινδρικούς ΣΔ φλοιούς με αναλλοίωτα τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά (σχήμα, μέγεθος), εφόσον η καμπυλότητα είναι τουλάχιστον συγκρίσιμη με την ακτίνα του σκυρμιονίου (κριτήριο ευστάθειας). Τέλος, στο κεφάλαιο 6 συνοψίζονται τα κεντρικά συμπεράσματα της διατριβήςκαι διατυπώνονται οι προοπτικές περαιτέρω μελέτης.