Kurzfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Spinwellen-Spektrum ferromagnetischer Mikro- und Nanostrukturen mittels eines breitbandigen Spektrometers im GHz-Bereich studiert. Der experimentelle Aufbau, basierend auf einem Vektor-Netzwerkanalysator, nutzt die Methode der induktiven Detektion. Dabei spiegeln sich in der Übertragungscharakteristik miniaturisierter Wellenleiter die Resonanzeigenschaften der integrierten, magnetischen Strukturen wider. Das Spektrometer arbeitet bei Raumtemperatur im Frequenzbereich von 45 MHz bis 20 GHz. Magnetfelder bis 100 mT können unter beliebigem Winkel in der Ebene der Proben angelegt werden. Der Fokus lag auf der Untersuchung ringförmiger Elemente aus Permalloy, deren Herstellung mittels Elektronenstrahllithographie und lift-off-Verfahren erfolgte. Hier wurden die geometrischen Parameter systematisch variiert und das Eigenmoden-Spektrum der verschiedenen quasi-statischen Magnetisierungzustände erforscht. Diese zeichnen sich durch charakteristische, inhomogene Verteilungen des internen Magnetfeldes aus, die zum Auftreten zahlreicher, grundlegender Spinwellen-Phänomene führen. Insbesondere konnte die Lokalisierung und Interferenz von Spinwellen in Ringen beobachtet und theoretisch erklärt werden. Zur Untermauerung dieser Ergebnisse wurde zusätzlich eine Methode der Nanostrukturierung mit einem Rasterkraftmikroskop herangezogen. Eine gezielte Manipulation der Form des magnetischen Materials am Ort einer Spinwellen-Lokalisierung wirkt sich charakteristisch auf das Spektrum aus. Des Weiteren wurde das Ummagnetisierungsverhalten untersucht. Bei hohen anregenden Leistungen wurde ein durch Mikrowellen assistiertes, frequenzabhängiges Schalten nachgewiesen. Wir haben gezeigt, dass die Schaltfelder der magnetischen Strukturen um bis zu 40% reduziert werden können. Weiterhin wurden asymmetrische Ringe untersucht. Es ist gelungen den Drehsinn des Vortexzustandes mit Hilfe des statischen, äußeren Feldes geordnet einzustellen. Diese Arbeit beschäftigt sich außerdem mit dem Phänomen der Kopplung von Spinwellen-Moden in rechteckigen Strukturen. Die quermagnetisierten Elemente weisen ein stark inhomogenes internes Feld auf, was zu lokalisierten Zentrums- und Randmoden führt. Durch Maßschneidern der geometrischen Abmessungen ist es gelungen, diese zu mischen. Die sich ausbildenden hybriden Zustände zeigen eine Energielücke und ein Kreuzen der Dispersionäste wird vermieden.
In this thesis the spin wave spectrum of ferromagnetic micro- and nanostructures has been studied by means of a broadband spectrometer working in the GHz regime. The experimental setup, based on a vector network analyzer, makes use of an inductive detection method. Here, the transfer characteristics of miniaturized waveguides reflect the resonance properties of the integrated, magnetic structures. The spectrometer works at room temperature in the frequency range from 45 MHz to 20 GHz. Magnetic fields up to 100 mT can be applied with arbitrary angles in the plane of the samples. The focus was on the investigation of ring shaped permalloy elements, which were fabricated by means of electron beam lithography and lift-off processing. Here, the geometrical parameters were varied systematically to explore the eigenmode spectra of the different quasi-static magnetization states. They are characterized by their inhomogeneous distributions of the internal magnetic field, which lead to the appearance of numerous, fundamental spin wave phenomena. In particular, the localization and interference of spin waves could be observed and interpreted theoretically. To support these results, a patterning technique based on an atomic force microscope was utilized. A systematic manipulation of the shape of the magnetic material in the region of a localized spin wave affects the spectrum characteristically. Furthermore, the behavior of the magnetization reversal was investigated. For high excitation powers microwave induced and frequency selective switching has been shown. We have found that the switching fields of the magnetic structures can be reduced by up to 40%. In addition, asymmetric rings were investigated. We succeeded setting up an ordered circulation direction of the vortex state by means of the static, external field. This thesis also deals with the phenomenon of coupled spin wave modes in rectangular structures. The transversally magnetized elements exhibit a strong inhomogeneous internal field, which leads to the existence of localized central and edge modes. Tailoring the geometrical dimensions these modes were mixed. The resulting hybrid modes show an energy gap and avoided crossings of the dispersion branches.