Monte Carlo Study of Magnetic Nanostructures During Growth: Magnetic Ordering and Slow Nonequilibrium Dynamics

Abstract

This thesis is concerned with the theoretical investigation of both nonequilibrium and equilibrium magnetic properties of laterally nanostructured films during growth. Irregular arrays of separated magnetic islands at low film coverages and the transition to smooth films at high coverages are examined. For such ultrathin films, the long-range magnetic order, the magnetic relaxation on a long time scale, and the metastable domain structure are calculated. We use following methods: The ultrathin film growth is described by use of a phenomenological growth model where adatoms are attached to already existing islands. Simulations of this simple model result in realistic atomic morphologies. We formulate a micromagnetic model for the description of the magnetic properties of such structures. The basic physical idea of this approach is to treat a nanostructured film as an ensemble of interacting magnetic islands. A single-island uniaxial anisotropy, long-range inter-island dipole couplings, and short-range exchange interactions between islands are taken into account. The thermodynamic expectation values of the film magnetization in equilibrium and nonequilibrium are calculated by use of equilibrium and kinetic Monte Carlo simulations. For this purpose, we develop a new cluster Monte Carlo method which considers coherent magnetization flips of connected islands. This extension enables calculations of the magnetic properties in the entire coverage range - below and above the percolation threshold - within the same model. By use of typical magnetic parameters of 3d-transition metal films, we apply our approach to a growing model system.

In dieser Arbeit werden magnetische Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichts- Eigenschaften von lateral nanostrukturierten Filmen während des Wachstums theoretisch untersucht. Speziell befasst sich die Arbeit mit irregulären Ensembles von magnetischen Inseln bei niedrigen Filmbedeckungen und dem Übergang zu einem glatten Film. Für solche ultradünnen Filme werden die magnetische Fernordnung, die magnetische Relaxation auf einer langen Zeitskala und die metastabile Domänenstruktur berechnet. Wir verwenden folgende Methoden: Das Wachstums ultradünner Filme wird mittels eines phänomenologischen Modells beschrieben, wobei de­po­nier­te Atome an bereits bestehende Inseln angelagert werden. Simulationen dieses einfachen Modells ergeben realistische atomare Morphologien. Zur Be­schreib­ung der magnetischen Eigenschaften stellen wir ein mikromagnetisches Modell auf, dessen zentrale physikalische Idee es ist, einen nanostrukturierten Film als ein Ensemble von wechselwirkenden, mag­ne­tisch­en Inseln zu behandeln. Hierbei berücksichtigen wir eine lokale, uniaxiale Anisotropie, lang­reichweitige Dipol- und kurz­reichweitige Austauschwechselwirkungen zwi­schen den Inseln. Die thermodynamischen Erwartungswerte der Filmmagnetisierung im Gleichgewicht und Nichtgleichgewicht werden mittels Gleichgewichts- und kinetischen Mon­te- Carlo-Simu­latio­nen berechnet. Hier­für entwickeln wir eine neue Cluster- Monte-Carlo-Methode, die kohärente Magnetisierungs-Flips von verbundenen Inseln berücksichtigt. Die­se Er­wei­te­rung ermöglicht Berechnungen der magnetischen Eigenschaften im gesamten Bedeckungsbereich - unterhalb und oberhalb der Perkolations­schwelle - im Rahmen des glei­chen Modells. Unter Verwendung von mag­netischen Parametern von 3d-Über­gangs­me­tall­-Filmen wird diese Methode auf ein wachsendes Modellsystem angewandt.