Micromagnetism of cylindrical nanowires with compositional and geometric modulations

Abstract

[EN] TThis thesis focuses on micromagnetic and analytical modelling of the magnetization processes in individual cylindrical nanowires with different geometries (modulations in diameter) and compositions. The objective is the design of nanowires to control the type of magnetic domains and domain walls as well as their pinning mechanisms which may serve as a basis for nanotechnological applications of these objects.

The first part is dedicated to remanent states, hysteresis processes and pinning properties of Co-based and Permalloy nanowires with antinotches and diameter modulations.

On the other hand, magnetic domains are studied in nanowires of CoxNi100-x, and we present the numerical modelling of signals of Transmision X-Ray Microscopy with X-Ray Magnetic Circular Dichroism for different magnetization configurations to interpret the magnetic state in nanowires of CoNi/Ni. We additionally evaluate the heat dissipation of Permalloy and Co nanowires under an alternating magnetic field and interpret it by a simple analytical model of the domain wall motion.

The results of this thesis constitute a basis for nanowires design for different nanotechnological applications such as 3D magnetic memories, sensors, permanent magnets, bio-magnetic applications (magnetic hyperthermia) or water purification treatment.

[ES] Esta tesis se centra en la modelizado micromagnético y analítico de procesos de imanación en nanohilos cilíndricos individuales con diferentes geometrías (modulaciones en diámetro) y composiciones (nanohilos multisegmentados). El propósito del estudio es el diseño de nanohilos con el objetivo de controlar el tipo de dominios magnéticos y paredes de dominio, así como sus mecanismos de enganche (pinning) que pueden servir de base para multitud de aplicaciones nanotecnológicas de estos objetos. La primera parte de la tesis se dedica al estudio de la modulación geométrica en diámetro de nanohilos magnéticos. En particular, se ha llevado a cabo el modelizado magnético de estados de remanencia, procesos de histéresis y propiedades de enganche en nanohilos basados en cobalto con antinotches y modulaciones en diámetro. Se han escogido Co y aleaciones basadas en este elemento debido a su alta imanación de saturación y su alta anisotropía magnetocristalina. En el caso de antinotches se han investigados dos situaciones: aquella en la que los antinotches producen enganche de paredes de dominio de vórtice, y otra en las que la estructura de dominios de vórtice es independiente de su presencia. Los resultados están de acuerdo con las imágenes de Microscopía de Fuerza Magnética (MFM) y Dicroismo Circular Magnético de rayos X (DCMX). En nanohilos modulados periódicamente en diámetro, hemos encontrado las condiciones desenganche fuerte y débil de la pared de dominio en las constricciones. Hemos probado que estos nanohilos se desimanan por propagación de un tubo, bien de vórtice, o bien de skyrmion, donde la protección topológica juega un papel relevante en los procesos de enganche. Hemos introducido un nuevo mecanismo de enganche que llamamos “enganche sacacorchos” (corkscrew pinning) cuando el núcleo del skyrmion describe una rotación helicoidal en torno al eje del hilo en el segmento de mayor diámetro, y precisa penetrar en el segmento de menor diámetro. Así mismo, en esta parte de la tesis también introducimos un modelo analítico simple del enganche de una pared de dominio en un nanohilo bisegmentado de Permalloy.

Del modelo se deriva una ley de escala para el campo de desenganche (depinning field) de una pared de tipo transversal que es comparada con simulaciones micromagnéticas. Igualmente, se ha introducido el efecto de ratchet de imanación (propagación unidireccional de la desimanación) en nanohilos multicapa de FeCo/Cu con segmentos de FeCo de longitud creciente. Este efecto es importante para aplicaciones que precisen el control de portadores de información magnéticos como las memorias 3D y registros de desplazamiento (shift registers). Los resultados micromagnéticos prevén esclarecer el proceso de imanación complejo observado en medidas de DCMX. Por otro lado, se estudian los procesos de histéresis y dominios magnéticos en nanohilos cilíndricos de aleaciones de CoxNi100-x para diferentes contenidos de cobalto x a fin de observar la competición entre las anisotropías magnetocristalina y de forma, que da lugar a diferentes configuraciones magnéticas. Se modelizan estados magnéticos “vírgenes” (As-prepared states) y se comparan con observaciones de DCMX y MFM. Observamos y demostramos por primera vez la presencia de dominios transversales en coexistencia con dominios de vórtice para contenidos de cobalto intermedios. Además del modelizado micromagnético, se presenta la modelización numérica de señales de Microscopía de rayos X de transmisión con DCMX para diferentes configuraciones de imanación como una herramienta para interpretar el estado magnético en segmentos de nanohilos cilíndricos de CoNi, y se discute con resultados experimentales preliminares. Aquí se emplea un ansatz de vórtice, y por comparación de las imágenes simuladas con la experimental, se demuestra que la señal de DCMX observada corresponde a un estado magnético de vórtice a lo largo del segmento de CoNi.