Dynamika namagnesowania warstwowych struktur magnetycznych i nanostruktur.

Transkrypt

1 Dynamika namagnesowania warstwowych struktur magnetycznych i nanostruktur. Hubert Głowiński, IFM PAN promotor: prof. Janusz Dubowik Praca była częściowo finansowana z grantu Polsko-Szwajcarskiego Nanospin PSPB-045/2010

2 Plan Wprowadzenie Układy z efektem exchangebias Układy z anizotropią prostopadłą Podwójne zawory spinowe Efekt wzmocnienia sygnału Antyrezonans ferromagnetyczny Podsumowanie cienka warstwa CPW

3 Dynamika namagnesowania Wektor namagnesowania precesuje w zewnętrznym polu magnetycznym H M H Równanie Landau- Lifszyc-Gilbert (LLG) M

4 VNA-FMR Zewnętrzne pole magnetyczne Linie pola magnetycznego Linie pola elektrycznego S 21 = Transmitted Incident Port 1 Port 2 Próbka Pole mikrofalowe Falowód koplanarny Zewnętrzne pole magnetyczne

5 Sprzężenie typu exchange bias FM T N <T<T C AFM FM T T N AFM FM T<T N Mathias Getzlaff, Fundamentals of Magnetism, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 AFM

6 Zależność pola rezonansowego od kąta w płaszczyźnie Korzystając ze wzoru Smita- Beljersa można z energii swobodnej przedstawionej powyżej wyprowadzić warunek dla rezonansu w układach z anizotropią jednozwrotową α kąt pomiędzy namagnesowaniem, a kierunkiem pola podczas chłodzenia H A pole anizotropii; H B pole przesunięcia exchange-bias; Mark Rubinstein, Peter Lubitz, and Shu-Fan Cheng J. Magn. Magn. Mater., 195: , 1999

7 Zależność pola rezonansowego od kąta w płaszczyźnie Na wykresie przedstawiono wielkości H a, H eb, H ra Energia anizotropii kształtu Energia anizotropii jednoosiowej Energie związane z AFM R. D. McMichael, M. D. Stiles, P. J. Chen, and W. F. Egelhoff, Jr., Phys. Rev. B 58, 8605 (1998) energia Zeemana

8 Warstwy NiFe/NiMn

9 Warstwy NiFe/NiMn Pole podczas chłodzenia przyłożone przeciwnie do pola H ex Wpływ ziaren AFM o różnym KV na pole H ex FM AFM

10 Warstwy NiFe/NiMn Pole podczas chłodzenia przyłożone zgodnie z polem H ex FM Namagnesowanie części ziaren AFM o KV<k B T uległo rotacji AFM

11 Warstwy NiFe/NiMn Chłodzenie bez pola, więc próbka nie była nasycona. FM AFM

12 Warstwy Co 2 FeSi/IrMn 5.0x10-4 magnetic moment (emu) x10-4 b m t Field (Oe) Ta IrMn t C o 2 FeSi IrMn m C o 2 FeSi IrMn b C o 2 FeSi IrMn Ta Si substrate Wynik pomiaru VNA-FMR Pętla histerezy Kolejne warstwy Co 2 FeSi mają coraz większe pole H 12 ex

13 Warstwy Co 2 FeSi/IrMn Porównanie wyników pomiarów VNA-FMR oraz pętli histerezy

14 Anizotropia prostopadła Zależność πM eff t od grubości t pozwala wyznaczyć parametry anizotropii prostopadłej 14

15 Warstwy Co/Au Wyznaczenie parametrów anizotropii prostopadłej układu Co/Au na podstawie lokalnych pomiarów VNA-FMR klina Co Au 10 Ti 4 Si Co M. Matczak, B. Szymański, M. Urbaniak, M. Nowicki, H. Głowiński, P. Kuświk, M. Schmidt, J. Aleksiejew, J. Dubowik and F. Stobiecki., J. Appl. Phys. 114, (2013)

16 Chropowatość powierzchni K. Kurzydłowski i M. Lewandowska "Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne" 16 Matczak et al., J. Appl. Phys. 114, (2013);

17 Podwójny zawór spinowy Au 5 Co 3 Au 2 Co 1.5 Au 2 Au 1 Co 0.8 Au 60 Ti 4 Si x3 Wyniki pomiarów podwójnego zaworu spinowego o niekolinearnym ustawieniu namagnesowania w warstwach kobaltowych

18 Warstwy CoFeB/MgO Porównanie wyników pomiarów uzyskanych przez przemiatanie polem i częstotliwością

19 Częstotliwośc [GHz] Częstotliwośc [GHz] Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO cewki elektromagnes Trudny kierunek H u H z M W małych polach wektor namagnesowania nie jest równoległy do pola zewn W małych polach wektor namagnesowania jest równoległy do pola zewn. Pole [Oe] H z Łatwy kierunek H u M Pole [Oe]

20 Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO Wyznaczenie pola anizotropii jednoosiowej w płaszczyźnie na podstawie pomiarów MOKE i VSM 20

21 Meff*d (Oe*cm) Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO Meff*d Meffd (User) Fit of Meff*d Wyznaczenie parametrów anizotropii prostopadłej w warstwach CoFeB x x x10-7 Value d (cm) Standard Error K v [erg/cm 3 ] -1.37E+07 2E+06 K s [erg/cm 2 ] M [emu/cm 3 ] K p K d S K V

22 Tłumienie w warstwach CoFeB/MgO Si/bufor/MgO 1.28/CoFeB 1.5/Ta 5/Ru 5 (a) Ta 5/Ru 10/Ta 3 oraz (c) Ta 5/Ru 20/Ta 5 Wpływ buforu na tłumienie w warstwach CoFeB Marek Frankowski, Antoni Żywczak, Maciej Czapkiewicz, Sławomir Ziętek, Jaroslaw Kanak, Monika Banasik, Wieslaw Powroznik, Witold Skowronski, Jakub Chęciński, Jerzy Wrona, Hubert Głowiński, Janusz Dubowik, Jean-Philippe Ansermet, Tomasz Wlodzimierz Stobiecki et al. JAP 2015

23 Struktura wielowarstwowa dla STO: podwójny zawór spinowy Inna grubość antyferromagnetyka Cieńsza warstwa swobodna Nie używamy PEL Używamy Co/Au zamiast Co/Pt Pol/Cu4/Fe 20 Ni 80 3/Co0.5/Cu3/Co3/Ir 20 Mn 80 5, gdzie Au 5 IrMn 10 Co 3 Cu 2 Py 2 Cu 4 Au 1 Co 0.8 Au 60 Ti 4 Si x4 Pol=Pt20/(Co0.55/Pt0.25)5/(Co0.8/Cu0.3/Co0.8) D. Houssameddine et al., Nat. Mater. 6, 447 (2007)

24 Intesinty [a.u.] Moment [a.u] Moment [a.u] M [a.u.] Podwójny zawór spinowy VSM in-plane Magnetic field [Oe] Magnetic field [Oe] Pole przesunięcia pętli dla warstwy przyszpilonej wynosi 100 Oe Measured at 20 GHz Exchange-bias effect parallel to EB field antiparallel to EB field Magnetic field [koe] p - MOKE Magnetic field [Oe] 24 VNA-FMR

25 Podwójne zawory spinowe Wynik pomiaru VNA-FMR podwójnego zaworu spinowego

26 Podwójne zawory spinowe Pętle histerezy Magnetoopór

27 Zawór spinowy Zawór spinowy bez polaryzatora Wąskie pętle histerezy

28 Podwójny zawór spinowy Wyznaczenie parametrów opisujących dynamikę namagnesowania podwójnego zaworu spinowego

29 Zawór spinowy

30 Im S 21 (a.u.) Wygrzewanie w polu magnetycznym Wygrzewanie i chłodzenie w polu magnetycznym w celu wywołania efektu exchange-bias Zwiększenie pola rezonansowego o około 2-3 koe Mały wpływ na exchange-bias Si(Ti 4/Au 40/(Au1/Co0.7)x4/Cu4/Py3/Cu3/Co3/IrMn15/Au5) annealed at 250 C in magnetic field as deposited 15 min 30 min 60 min M/M s -1-2 Field (Oe) Magnetic field (Oe) min 30 min 60 min -4 as deposited F. J. A. den Broeder, D. Kuiper, A. P. van de Mosselaer, and W Hoving, Phys. Rev. Lett. 60, (1988)

31 Im S 21 (a.u.) Wygrzewanie w polu magnetycznym Struktura odwrócona Zwiększenie pola rezonansowego o około 2-3 koe Mały wpływ na exchange-bias Si(Ti 4/Au 40/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) annealed at 250 C in magnetic field as deposited 15 min 30 min 60 min M/M s Field (Oe) 15 min 30 min 60 min as deposited Magnetic field (Oe)

32 Im S 21 (a.u.) Wygrzewanie w polu magnetycznym Struktury bez polaryzatora Zwiększenie intesywności Brak wpływu na exchange-bias Si(Ti 4/Au 10/Cu4/Py3/Co0.5/Cu3/Co3/IrMn10/Au5) annealed at 250 C in magnetic field as deposited 15 min 30 min 60 min 1 0 M/M s Field (Oe) 15 min 30 min 60 min as deposited A

33 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR

34 Im S 21 (a.u.) Im S 21 (a.u.) Re S 21 (a.u.) Co determinuje wielkość sygnału? Si(Ti 4/Au 40/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) (a) Re Im (b) F - F P - A - A + P H. T. NEMBACH et al. PHYSICAL REVIEW B 84, (2011) Magnetic field (Oe) B. Heinrich J.A.C. Bland (Eds.), Ultrathin Magnetic Structures II (1994) 34

35 M [a.u.] Im S 21 (a.u.) Wzmocnienie sygnału VNA-FMR VSM pomiar statyczny Si(Ti 4/Au 40/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) Si(Ti 4/Au 10/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) VNA-FMR pomiar dynamiczny Si(Ti 4/Au 40/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) Si(Ti 4/Au 10/IrMn10/Co3/Cu3/Co0.5/Py3/Cu4/(Co0.7/Au1)x4/Au5) Magnetic field [Oe] Field (Oe) Pętle histerezy obu struktur są bardzo podobne Natomiast intensywności sygnału VNA-FMR są zupełnie różne

36 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Au 5 Co 2,5 Au Ti 4 Si Au 5 Co 2,5 Au Ti 4 Si Zależność intensywności sygnału od przewodzącej warstwy buforowej

37 Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Wzmocnienie sygnału VNA-FMR 1.5x x10-3 Analyz Free Pol Au 5 IrMn 15 Co 3 Cu 3 Co 0.5 Py 3 Cu 4 Co 0.7 Au 1 Au 40 Ti 4 Si x4 2.0x x10-4 Analyz Free Au 5 IrMn 10 Co 3 Cu 3 Co 0.5 Py 3 Cu 4 Au 10 Ti 4 Si 5.0x x x10-3 Pol Free Analyz Au 5 Au 1 Co 0.7 Cu 4 Py 3 Co 0.5 Cu 3 Co 3 IrMn 10 Au 40 Ti 4 Si x x x10-4 Pol Free Analyz Au 5 Au 1 Co 0.7 Cu 4 Py 3 Co 0.5 Cu 3 Co 3 IrMn 10 Au 10 Ti 4 Si x4 5.0x Magnetic field (koe) Magnetic field (koe) Wpływ kolejności podukładów na rezultaty pomiarów VNA-FMR 37

38 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Wyjaśnienie różnic w stosunkach intensywności w zależności od kolejności podukładów

39 Absorption [a.u] Antyrezonans Taśma amorficzna NiFeMo Konfiguracja in-plane 32.5 GHz FMR FMAR N. Bloembergen, Phys. Rev. 78, (1950) Field [Oe]

40 Frequency [GHz] Antyrezonans FMR FMAR Field [koe] Taśma amorficzna NiFeMo 2 H H FMR H FMR 4 4 M FMAR M s Estimate Standard Error g 2,126 0,003 M [emu/cm 3 ] s

41 Podsumowanie VNA-FMR ze standardowym falowodem koplanarnym można wykorzystać do pomiarów zarówno grubych warstw (taśmy amorficzne o grubości rzędu mikrometrów), jak i ultracienkich warstw o grubości w zakresie pojedynczych nanometrów. W taśmie amorficznej występuje, oprócz rezonansu ferromagnetycznego, antyrezonans ferromagnetyczny. W cienkich warstwach obserwowane są zjawiska związane z powierzchnia, takie jak anizotropia powierzchniowa lub anizotropia jednozwrotowa związana z efektem exchange-bias. Warstwy metaliczne w sąsiedztwie warstw ferromagnetycznych wpływają na ich dynamikę namagnesowania

42 Dziękuję za uwagę!

43

44 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Symulacja Adam Krysztofik

45 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Ekranowanie pola elektromagnetycznego Symulacja Adam Krysztofik

46 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Ekranowanie pola elektromagnetycznego Symulacja Adam Krysztofik

47 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR H y Długość wektora pola magnetycznego Symulacja Adam Krysztofik Ekranowanie pola elektromagnetycznego

48 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR H y Długość wektora pola magnetycznego Symulacja Adam Krysztofik Ekranowanie pola elektromagnetycznego

49 Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Symulacja Adam Krysztofik