Magnetic Tunnel Junctions and Superconductor/Ferromagnet Hybrids Investigated by Low-Temperature Scanning Laser Microscopy

Abstract

Low-temperature scanning laser microscopy (LTSLM) allows the investigation of local properties in thin film structures in a broad temperature range. Depending on the sample under investigation, LTSLM can map various kinds of physical properties such as the current distribution or the magnetic microstructure. In this thesis, the correlation between local and integral magnetotransport properties in thin-film superconductor/ferromagnet (S/F) hybrids and magnetic tunnel junctions are investigated. In S/F hybrids composed of Pb/BaFe12O19, we studied experimentally the effect of the stripe like domain structure of the BaFe12O19 substrate on the magnetoresistance of superconducting Pb microbridges. A thin insulating layer between Pb and the ferromagnet ensures pure electromagnetic coupling between the antagonistic phenomena of singlet superconductivity and ferromagnetism. Two bridges with different orientation with respect to the stripe-like domain walls (parallel and perpendicular) were probed by LTSLM. In this technique, the sample is locally heated in the thin film (x, y) plane by a laser beam, which can induce a detectable voltage change V (x, y), depending on the physical properties of the heated area. The resulting voltage images can visualize various physical properties, depending on the investigated sample. Direct verification of the formation of inhomogeneous superconducting states in the Pb bridges, induced by the inhomogeneous stray field of the ferromagnet and their manipulation by an external magnetic field were obtained by LTSLM. In particular, the localized state of domain-wall superconductivity was visualized in a sample where exactly one domain wall is running along the center of the Pb bridge, inducing a superconducting path for the current. Another state of localized superconductivity, called edge superconductivity, was probed in Nb microbridges. In an external magnetic field applied perpendicular to the sample surface, superconductivity survives at the edges even for fields larger than the upper critical field Hc2 for bulk superconductivity. The interaction between superconductivity and ferromagnetism was also studied in heteroepitaxially grown bilayers composed of ferromagnetic La0.7Ca0.3MnO3 on top of superconducting YBa2Cu3O7 (YBCO). The focus was on transport properties as well as on magnetic ordering and orbital occupation at the interface. We found, that a significant reduction of the superconducting transition temperature Tc of single YBCO thin films occurs only for a layer thickness below 10 nm. The suppression of Tc in the bilayers was only slightly stronger compared to single YBCO films. Our x-ray magnetic circular dichroism measurements confirm recently published data of an induced magnetic moment on the interfacial Cu by the ferromagnetically ordered Mn ions. However, we observe a significantly larger Cu moment than previously reported, indicating stronger coupling between Cu and Mn at the interface. This can explain the reduced suppression of Tc in our samples. Magnetic tunnel junctions (MTJs) were investigated by LTSLM to correlate integral magnetotransport measurements with local sample properties. We have performed resistance versus magnetic field measurements for a MTJ based on La0.65Sr0.35MnO3 (LSMO) with SrTiO3 barrier, grown by molecular-beam epitaxial. Magnetoresistance measurements show a large field window of extremely high tunneling magnetoresistance (TMR) at low temperature which reached about 1900%. This is the highest TMR value reported so far. Assuming identical interfaces, this TMR ratio corresponds to an interfacial spin polarization of ~ 95%. Studies with LTSLM allow the determination of the local relative magnetization orientation of the two electrodes as a function of magnitude and orientation of the external magnetic field. Sweeping the field amplitude at fixed orientation revealed magnetic domain nucleation and propagation in the junction electrodes. The results show that LTSLM can be used to link the magnetic microstructure to the integral magnetotransport properties and thus provides a valuable tool for further investigations of MTJs. Moreover, the obtained information on the relative magnetization orientation could not be obtained by any other imaging technique, so far.

Die Tieftemperatur-Rasterlasermikroskopie (TTRLM) ermöglicht die Untersuchung lokaler Eigenschaften von Dünnfilmstrukturen in einem breiten Temperaturbereich. Abhängig von der untersuchten Probe lassen sich durch die TTRLM verschiedenste physikalische Eigenschaften wie zum Beispiel die Stromverteilung oder die magnetische Mikrostruktur abbilden. In dieser Arbeit wird die Beziehung zwischen lokalen und integralen Magnetotransport-Eigenschaften von Dünnfilmstrukturen aus Supraleiter/Ferromagnet Hybriden und magnetischen Tunnelkontakten untersucht. In S/F Hybriden aus Pb/BaFe12O19 wurde experimentell der Effekt der ferromagnetischen Streifendomänen des BaFe12O19 Substrates auf den Magnetowiderstand von supraleitenden Pb Brücken untersucht. Eine dünne isolierende Schicht zwischen Pb und dem Ferromagnet garantiert eine rein elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den gegensätzlichen Phänomenen von Spin-Singulett Supraleitung und Ferromagnetismus. Es wurden zwei Brücken mit unterschiedlicher Orientierung bezüglich der streifenartigen Domänen (parallel oder senkrecht) mittels Tieftemperatur-Rasterlasermikroskopie (TTRLM) untersucht. Bei dieser Technik wird die Probe lokal in der Filmebene (x, y) mit einem Laser erwärmt. Je nach Eigenschaft der bestrahlten Fläche kann dies zu einer messbaren Spannungsänderung V (x, y) führen. Die dabei entstehenden Spannungsbilder können verschiedenste physikalische Eigenschaften abbilden. Mit Hilfe der TTRLM konnte ein direkter Nachweis von Zuständen inhomogener Supraleitung in den Pb Brücken erbracht werden. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass sich die Zustände durch ein externes Magnetfeld manipulieren lassen. Insbesondere wurde der Zustand der Domänenwandsupraleitung in einer Brücke abgebildet, in der genau eine einzige Domänenwand entlang der Mitte der Brücke verläuft und welche einen als supraleitenden Pfad für den Strom induziert. Ein weiterer Zustand lokalisierter Supraleitung wurde in Nb Brücken untersucht, die sogenannte Randsupraleitung. Dabei existiert die Supraleitung an den Probenrändern in einem externen Magnetfeld senkrecht zur Probenoberäche, auch wenn das Feld größer als das obere kritische Feld Hc2 ist. Die Wechselwirkung von Supraleitung und Ferromagnetismus wurde auch in heteroepitaktisch gewachsenen Bilagen aus ferromagnetischem La0.7Ca0.3MnO3 und supraleitendem YBa2Cu3O7 (YBCO) untersucht. Dabei lag der Schwerpunkt auf den Transporteigenschaften sowie der magnetischen Ordnung und den elektronischen Eigenschaften an der Grenzfläche. Eine deutliche Unterdrückung der kritischen Temperatur Tc von YBCO Dünnfilmen trat erst unterhalb einer Dicke von 10nm auf. In Bilagen war die Unterdrückung im Vergleich zu einzelnen YBCO Dünnfilmen nur etwas stärker. Mit Hilfe von Röntgenabsorptionsspektroskopie mit zirkular polarisierten Röntgenstrahlen konnten kürzlich erschienene Messungen eines induzierten magnetischen Moments auf Cu Atomen durch die ferromagnetisch geordneten Mn Momente an der Grenzfläche bestätigt werden. Jedoch zeigte die vermessene Probe ein deutlich stärkeres Cu Moment, was für eine stärkere Wechselwirkung an der Grenzfläche spricht. Dies könnte die relativ geringe Unterdrückung von Tc in unseren Proben erklären. Magnetische Tunnelkontakte (MTK) wurden mittels TTRLM untersucht um die lokalen und integralen Eigenschaft miteinander zu korrelieren. An La0.65Sr0.35MnO3 (LSMO) basierten MTK mit SrTiO3 Barriere wurden Widerstandsmessungen in Abhängigkeit vom äußeren Magnetfeld durchgeführt. Die LSMO/SrTiO3/LSMO Trilagen wurden mittels Molekularstrahlepitaxie gewachsen. Widerstandsmessungen in Abhängigkeit des äußeren Magnetfeldes zeigen einen groÿen Magnetfeldbereich mit sehr hohem Tunnelmagnetowiderstand (TMR), welcher bei tiefen Temperaturen einenWert von bis zu ~ 1900% erreicht. Dies ist bisher der höchste gemessene TMR Wert überhaupt. Unter der Annahme von identischen Grenzflächen ergibt sich daraus eine Spinpolarisation an den Grenzflächen von ungefähr 95 %. Mit Hilfe der Abbildungen konnte lokal die relative Magnetisierung in Abhängigkeit von Richtung und Größe des angelegten Magnetfeldes bestimmt werden. Beim Durchfahren des Magnetfeldes zeigen die Abbildungen die Bildung und die Ausbreitung von Domänen in den ferromagnetischen Elektroden. Die Ergebnisse zeigen, dass durch TTRLM eine Beziehung zwischen der lokalen magnetischen Struktur und den integralen Magnetowiederstandskurven hergestellt werden kann. Darüber hinaus erhält man Information über die Verteilung der relativen Orientierung der Magnetisierung beider Elektroden, was bisher mit keiner anderen Abbildungstechnik möglich war.