3D printing and magneto-optical characterization of iron nanowires grown by focused electron beam induced deposition

Abstract

The fabrication and characterization of three-dimensional magnetic nanostructures offer the possibility of studying novel magnetic phenomena at characteristic magnetic length scales. Examples include non-trivial spin textures or the geometrical control of spin chiral states. Such structures have great potential for future applications in magnetic sensing, memory, and logic spintronic devices. Achieving high-resolution fabrication of complex free-standing 3D structures pose a significant challenge for conventional lithography tools. As such, alternative fabrication techniques are required. One of the promising alternative fabrication methods capable of prototyping 3D geometries is focused electron beam induced deposition (FEBID). It is a chemical vapour deposition technique whereby the energy from a focused electron beam dissociates an organo-metallic gas, forming a solid deposit on a surface. The main advantages of FEBID are its direct-write approach to fabricate magnetic materials and nanometer spatial resolution. In combination with patterning algorithms, complex shapes and structures can be designed with high flexibility. Due to these factors, FEBID can be used to fabricate 3D nanomagnets that exhibit novel characteristics. An additional challenge is characterizing nanomagnets to determine their magnetic qualities and behaviour under external magnetic fields. To achieve this, a dark-field magneto-optical Kerr effect (DF- MOKE) magnetometer is used, an optical technique uniquely suited to probe 3D magnetic nanostructures. The aim of this thesis is to fabricate and investigate the magnetic behaviour of FEBID fabricated Fe structures to determine the viability for future magnetic logic and memory applications. With this objective in mind, I adapt the open-source layer-by-layer FEBID patterning algorithm f3ast to a Zeiss LEO1530VP scanning electron microscope in combination with a Raith electron beam lithography controller. A protocol is developed to fabricate diverse 3D structures with the algorithm f3ast using the precursor Fe(CO)5. The magnetic measurements show that FEBID deposited Fe nanomagnets are dominated by shape anisotropy. Furthermore, we demonstrate that the magnetic switching behaviour of suitable geometries in 3D can be controlled by external magnetic fields. These results prove that FEBID fabricated Fe nanostructures are viable candidates for future magnetic logic and memory approaches

Die Herstellung und Charakterisierung von dreidimensionalen magnetischen Nanostrukturen ermöglichen die Untersuchung neuartiger magnetischer Phänomene auf charakteristischen magnetischen Längenskalen. Diese Effekte könnten in naher Zukunft in verschiedenen Bereichen Anwendung finden, wie in magnetischen Messinstrumenten, Speicher und Spintronik. Mit herkömmlichen lithografischen Methoden ist die Fabrikation hochaufgelöster 3D Strukturen herausfordernd und verlangt nach alternativen Fertigungsmethoden. Einer dieser Alternativen ist die fokussierte Elektronenstrahlabscheidung (engl. FEBID). FEBID ist eine Nanofabrikationsmethode, die sich besonders gut eignet, um komplexe 3D Strukturen herzustellen, wo Strukturgeometrie und Zusammensetzung wichtige Parameter sind. Die Vorteile der Elektronenstrahlabscheidung sind eine hohe Auflösung und die direkte Fabrikation magnetischer Strukturen, wodurch eine Vielzahl an Geometrien hergestellt werden können. Bei FEBID handelt es sich um eine Technik der chemischen Gasphasenabscheidung, bei der die Energie eines fokussierten Elektronenstrahls ein organo-metallisches Gas dissoziiert und ein solides Deponat auf einer Oberfläche bildet. Neben der Fabrikation ist die Charakterisierung von Nanomagneten eine Herausforderung. Zu diesem Zweck wird ein Dunkelfeld-Magnetometer basierend auf dem magneto-optischem Kerr-Effekt (DF-MOKE) eingesetzt, ein optisches Verfahren, das sich hervorragend für die Untersuchung magnetischer 3D-Nanostrukturen eignet. Ziel dieser Arbeit ist es, das magnetische Verhalten von FEBID Fe-Strukturen zu untersuchen, um die Eignung für zukünftige magnetische Logik- und Speicheranwendungen zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde der open-source FEBID Fabrikations-Algorithmus f3ast für ein Zeiss LEO1530VP Elektronenmikroskop und Raith Elektronenlithografiecontroller angepasst. Es wurde ein Protokoll entwickelt, um verschiedene 3D-Strukturen mit dem Algorithmus f3ast unter Verwendung des Precurosorgases Fe(CO)5 herzustellen. Die magnetischen Messungen zeigen, dass die mit FEBID abgeschiedenen Fe-Nanomagnete von Formanisotropie dominiert werden. Des Weiteren kann durch das Anlegen externer Felder das magnetische Schaltverhalten einer geeigneten 3D Struktur gesteuert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass mittels FEBID hergestellten Fe- Nanostrukturen für künftige magnetische Logik- und Speicherlösungen eingesetzt werden können.