Dynamika namagnesowania warstwowych struktur magnetycznych i nanostruktur. Hubert Głowiński, IFM PAN promotor: prof. Janusz Dubowik 09.06.2015 1 Praca była częściowo finansowana z grantu Polsko-Szwajcarskiego Nanospin PSPB-045/2010
Plan Wprowadzenie Układy z efektem exchangebias Układy z anizotropią prostopadłą Podwójne zawory spinowe Efekt wzmocnienia sygnału Antyrezonans ferromagnetyczny Podsumowanie cienka warstwa CPW 09.06.2015 2
Dynamika namagnesowania Wektor namagnesowania precesuje w zewnętrznym polu magnetycznym H M H Równanie Landau- Lifszyc-Gilbert (LLG) M 09.06.2015 3
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 09.06.2015 4
Sprzężenie typu exchange bias FM T N <T<T C AFM FM T T N AFM FM 09.06.2015 5 T<T N Mathias Getzlaff, Fundamentals of Magnetism, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2008 AFM
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; 09.06.2015 6 Mark Rubinstein, Peter Lubitz, and Shu-Fan Cheng J. Magn. Magn. Mater., 195:299 306, 1999
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 09.06.2015 7
Warstwy NiFe/NiMn 09.06.2015 8
Warstwy NiFe/NiMn Pole podczas chłodzenia przyłożone przeciwnie do pola H ex Wpływ ziaren AFM o różnym KV na pole H ex FM AFM 09.06.2015 9
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 09.06.2015 10
Warstwy NiFe/NiMn Chłodzenie bez pola, więc próbka nie była nasycona. FM AFM 09.06.2015 11
Warstwy Co 2 FeSi/IrMn 5.0x10-4 magnetic moment (emu) 0.0-5.0x10-4 b m t -600-400 -200 0 200 400 600 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 09.06.2015 Kolejne warstwy Co 2 FeSi mają coraz większe pole H 12 ex
Warstwy Co 2 FeSi/IrMn 09.06.2015 13 Porównanie wyników pomiarów VNA-FMR oraz pętli histerezy
Anizotropia prostopadła Zależność 09.06.2015 4πM eff t od grubości t pozwala wyznaczyć parametry anizotropii prostopadłej 14
Warstwy Co/Au Wyznaczenie parametrów anizotropii prostopadłej układu Co/Au na podstawie lokalnych pomiarów VNA-FMR klina Co Au 10 Ti 4 Si Co 0-3 09.06.2015 15 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, 093911 (2013)
Chropowatość powierzchni 09.06.2015 K. Kurzydłowski i M. Lewandowska "Nanomateriały inżynierskie konstrukcyjne i funkcjonalne" 16 Matczak et al., J. Appl. Phys. 114, 093911 (2013);
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 09.06.2015 17
Warstwy CoFeB/MgO 09.06.2015 18 Porównanie wyników pomiarów uzyskanych przez przemiatanie polem i częstotliwością
Częstotliwośc [GHz] Częstotliwośc [GHz] Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO 10 8 6 4 cewki elektromagnes Trudny kierunek H u H z M W małych polach wektor namagnesowania nie jest równoległy do pola zewn. 2 0-350 -280-210 -140-70 0 70 140 210 280 350 W małych polach wektor namagnesowania jest równoległy do pola zewn. Pole [Oe] H z Łatwy kierunek H u M 10 8 6 4 2 0-350 -280-210 -140-70 0 70 140 210 280 350 09.06.2015 19 Pole [Oe]
Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO Wyznaczenie pola anizotropii jednoosiowej w płaszczyźnie 09.06.2015 na podstawie pomiarów MOKE i VSM 20
Meff*d (Oe*cm) Warstwy CoFeB w kontakcie z MgO 0.00014 0.00012 Meff*d Meffd (User) Fit of Meff*d 0.00010 0.00008 0.00006 0.00004 0.00002 Wyznaczenie parametrów anizotropii prostopadłej w warstwach CoFeB 0.00000-0.00002 1.0x10-7 1.2x10-7 1.4x10-7 Value d (cm) Standard Error K v [erg/cm 3 ] -1.37E+07 2E+06 K s [erg/cm 2 ] 2.4 0.2 M [emu/cm 3 ] 1200 0 09.06.2015 21 K p K d S K V
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 09.06.2015 22 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
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) 09.06.2015 23 D. Houssameddine et al., Nat. Mater. 6, 447 (2007)
Intesinty [a.u.] Moment [a.u] Moment [a.u] M [a.u.] Podwójny zawór spinowy 20 4 2 0 VSM in-plane 15 10-2 -4 10 5 0-5 -10-10000 -5000 0 5000 10000 Magnetic field [Oe] 5 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 Magnetic field [Oe] Pole przesunięcia pętli dla warstwy przyszpilonej wynosi 100 Oe 0.0010 0.0008 0.0006 Measured at 20 GHz Exchange-bias effect parallel to EB field antiparallel to EB field -4-3 -2-1 0 1 2 3 4 Magnetic field [koe] p - MOKE 0.0004 0.0002 0.0000-0.0002 09.06.2015 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Magnetic field [Oe] 24 VNA-FMR
Podwójne zawory spinowe Wynik pomiaru VNA-FMR podwójnego zaworu spinowego 09.06.2015 25
Podwójne zawory spinowe Pętle histerezy Magnetoopór 09.06.2015 26
Zawór spinowy Zawór spinowy bez polaryzatora Wąskie pętle histerezy 09.06.2015 27
Podwójny zawór spinowy Wyznaczenie parametrów opisujących dynamikę namagnesowania podwójnego 09.06.2015 28 zaworu spinowego
Zawór spinowy 09.06.2015 29
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 0.0010 0.0005 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 1 0 0.0000 M/M s -1-2 Field (Oe) -10000-5000 0 5000 10000 Magnetic field (Oe) -3 15 min 30 min 60 min -4 as deposited F. J. A. den Broeder, D. Kuiper, A. P. van de Mosselaer, and W. -300-200 -100 0 100 200 300 Hoving, Phys. Rev. Lett. 60, 2769 2772 (1988) 09.06.2015 30
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) 0.0015 0.0010 0.0005 annealed at 250 C in magnetic field as deposited 15 min 30 min 60 min 1 0.0000 M/M s 0-1 -2-3 -4-600 -300 0 300 600 Field (Oe) 15 min 30 min 60 min as deposited -10000-5000 0 5000 10000 Magnetic field (Oe) 09.06.2015 31
Im S 21 (a.u.) Wygrzewanie w polu magnetycznym Struktury bez polaryzatora Zwiększenie intesywności Brak wpływu na exchange-bias 0.0005 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 -1-2 -3-4 -300-200 -100 0 100 200 300 Field (Oe) 15 min 30 min 60 min as deposited 0.0000-5000 -2500 0 2500 5000 09.06.2015 32 A
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR 09.06.2015 33
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) -0.1635 (a) -0.1640 Re -0.0420-0.1645 Im -0.0425-0.1650-0.0430 0.0015 (b) F - F + 0.0010 0.0005 P - A - A + P + 0.0000 H. T. NEMBACH et al. PHYSICAL REVIEW B 84, 054424 (2011) -10000-5000 0 5000 10000 Magnetic field (Oe) B. Heinrich 09.06.2015 J.A.C. Bland (Eds.), Ultrathin Magnetic Structures II (1994) 34
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) 8 6 4 2 0-2 -4-6 VNA-FMR pomiar dynamiczny 0.0014 0.0012 0.0010 0.0008 0.0006 0.0004 0.0002 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) -8-1000 -500 0 500 1000 Magnetic field [Oe] 0.0000-10000 -5000 0 5000 10000 Field (Oe) Pętle histerezy obu struktur są bardzo podobne Natomiast intensywności sygnału VNA-FMR są zupełnie różne 09.06.2015 35
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Au 5 Co 2,5 Au 10-40 Ti 4 Si Au 5 Co 2,5 Au 30-60 Ti 4 Si Zależność intensywności sygnału od przewodzącej warstwy buforowej 09.06.2015 36
Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Absorption (arb.u.) Wzmocnienie sygnału VNA-FMR 1.5x10-3 1.0x10-3 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 2.0x10-4 1.0x10-4 Analyz Free Au 5 IrMn 10 Co 3 Cu 3 Co 0.5 Py 3 Cu 4 Au 10 Ti 4 Si 5.0x10-4 0.0 1.5x10-3 1.0x10-3 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 x4 0.0 2.0x10-4 1.0x10-4 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 5.0x10-4 0.0 0.0-10 0 10-10 0 10 Magnetic field (koe) Magnetic field (koe) 09.06.2015 Wpływ kolejności podukładów na rezultaty pomiarów VNA-FMR 37
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Wyjaśnienie różnic w stosunkach intensywności 09.06.2015 38 w zależności od kolejności podukładów
Absorption [a.u] Antyrezonans Taśma amorficzna NiFeMo Konfiguracja in-plane 32.5 GHz FMR FMAR 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 N. Bloembergen, Phys. Rev. 78, 572 580 (1950) Field [Oe] 09.06.2015 39
Frequency [GHz] Antyrezonans 40 30 20 10 FMR FMAR 0 0 2 4 6 8 10 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 ] 627 2 s 09.06.2015 40
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 09.06.2015 41
Dziękuję za uwagę! 09.06.2015 42
09.06.2015 43
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR 09.06.2015 44 Symulacja Adam Krysztofik
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Ekranowanie pola 09.06.2015 45 elektromagnetycznego Symulacja Adam Krysztofik
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR Ekranowanie pola 09.06.2015 46 elektromagnetycznego Symulacja Adam Krysztofik
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR H y Długość wektora pola magnetycznego Symulacja Adam Krysztofik Ekranowanie pola elektromagnetycznego 09.06.2015 47
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR H y Długość wektora pola magnetycznego Symulacja Adam Krysztofik Ekranowanie pola elektromagnetycznego 09.06.2015 48
Wzmocnienie sygnału VNA-FMR 09.06.2015 49 Symulacja Adam Krysztofik