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Thèse Année : 2023

Magnetic imaging of domain wall structure and dynamics in nanotubes

Imagerie magnétique de la structure et de la dynamique de parois dans les nanotubes magnétiques

Mahdi Jaber
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1390981
  • IdRef : 278754295

Résumé

Ferromagnetic nanotubes are emerging as potential components for domain-wall (DW) based solid-state, low-power memory devices. This field of study, also known as 3D nanomagnetism, is gaining attention due to the discovery of new topologies and curvature-induced phenomena. Our research primarily addresses cylindrical nanotubes, which represent an interesting interplay between curvature effects and core-shell interfaces conducive to spintronic applications. Our focus lies in examining the azimuthal curling of magnetisation, a result of curvature-induced magneto-elastic anisotropy, leading to a low stray field for applications and non-reciprocal spin wave propagation from an academic standpoint.We have successfully developed CoNiB nanotubes via electroless plating in ion-track-etched polycarbonate templates. The tubes' dimensions range from 160 to 500 nm in diameter, 20 to 80 nm in wall thickness, and span several tens of micrometers in length. Post template dissolution, nanotubes were characterized using Transmission Electron Microscopy (TEM) and Focused Ion Beam (FIB) methods. The structural analysis indicated good consistency in diameter and tube thickness, with minor variations at the tube ends, an expected feature due to diffusion limitations during synthesis. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and Electron energy-loss spectroscopy (EELS) revealed a gradient in the CoNi composition across the tube thickness. Nickel was found to be more concentrated near the tube surfaces, while the Cobalt content was comparatively lower near the inner surface. This non-homogeneity across the tube wall may induce varied magnetic properties, as observed in some thin films.The nanotube's wall thickness introduces an additional degree of freedom compared to nanowires that only rely on external diameters. Consequently, controlling wall thickness can be a significant parameter in adjusting their properties. We have tested and benchmarked multiple electron microscopy methods to accurately measure this crucial dimension.Magnetic flux mapping and quantification during magnetic reversal were conducted using electron holography. This analysis confirmed azimuthal domains in the remanent state, with a 35 mT field required for axial magnetisation of the tube. The application of smaller fields (2-10 mT) triggered DW transformations, motion, and partial magnetisation rotation along the nanotube axis. The nature and width of the domain walls were experimentally determined and cross-verified using micromagnetic modelling translated into phase images. Essential parameters were further extracted using analytical models.This investigation provides the foundational groundwork for future studies on DW dynamics and spin-wave propagation. It also contributes towards the conceptual development of racetrack memories that operate by shifting magnetic domain walls in nanotubes.
Les nanotubes ferromagnétiques sont en train d'émerger en tant que composants potentiels pour les dispositifs de mémoire à semi-conducteurs basés sur la paroi de domaine (DW), consommant peu d'énergie. Ce champ d'étude, également connu sous le nom de nanomagnétisme 3D, gagne en attention grâce à la découverte de nouvelles topologies et de phénomènes induits par la courbure. Notre recherche aborde principalement les nanotubes cylindriques, qui représentent une interaction intéressante entre les effets de courbure et les interfaces cœur-coquille propices aux applications spintroniques. Nous nous concentrons sur l'examen du curling azimutal de la magnétisation, un résultat de l'anisotropie magnéto-élastique induite par la courbure, qui conduit à un champ de dispersion faible pour les applications et à la propagation des ondes de spin non réciproque d'un point de vue académique.Nous avons réussi à développer des nanotubes CoNiB par galvanoplastie sans courant dans des modèles en polycarbonate gravés par faisceau d'ions. Les dimensions des tubes varient de 160 à 500 nm de diamètre, de 20 à 80 nm d'épaisseur de paroi, et s'étendent sur plusieurs dizaines de micromètres en longueur. Après dissolution du modèle, les nanotubes ont été caractérisés en utilisant la microscopie électronique à transmission (TEM) et des méthodes de faisceau d'ions focalisés (FIB). L'analyse structurelle a indiqué une bonne cohérence en diamètre et épaisseur du tube, avec de légères variations aux extrémités du tube, une caractéristique attendue en raison des limitations de diffusion lors de la synthèse. La spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDX) et la spectroscopie de perte d'énergie d'électrons (EELS) ont révélé un gradient dans la composition CoNi à travers l'épaisseur du tube. Le nickel a été trouvé plus concentré près des surfaces du tube, tandis que le contenu en cobalt était comparativement plus bas près de la surface intérieure. Cette non-homogénéité à travers la paroi du tube peut induire des propriétés magnétiques variées, comme observé dans certains films minces.L'épaisseur de paroi du nanotube introduit un degré de liberté supplémentaire par rapport aux nanofils qui ne reposent que sur des diamètres externes. Par conséquent, le contrôle de l'épaisseur de la paroi peut être un paramètre significatif pour ajuster leurs propriétés. Nous avons testé et établi un benchmark de plusieurs méthodes de microscopie électronique pour mesurer avec précision cette dimension cruciale.La cartographie et la quantification du flux magnétique lors de l'inversion magnétique ont été réalisées en utilisant l'holographie électronique. Cette analyse a confirmé les domaines azimutaux dans l'état rémanent, avec un champ de 35 mT nécessaire pour la magnétisation axiale du tube. L'application de champs plus petits (2-10 mT) a déclenché des transformations DW, le mouvement, et une rotation partielle de la magnétisation le long de l'axe du nanotube. La nature et la largeur des parois de domaine ont été déterminées expérimentalement et vérifiées en utilisant des modèles micromagnétiques traduits en images de phase. Des paramètres essentiels ont été en outre extraits en utilisant des modèles analytiques.Cette enquête fournit les bases pour les futures études sur la dynamique de DW et la propagation des ondes de spin. Elle contribue également au développement conceptuel des mémoires de piste de course qui fonctionnent en déplaçant les parois de domaine magnétique dans les nanotubes.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04608151 , version 1 (11-06-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04608151 , version 1

Citer

Mahdi Jaber. Magnetic imaging of domain wall structure and dynamics in nanotubes. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY099⟩. ⟨tel-04608151⟩
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