Tobias Korn, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2004 :
"Zeitaufgelöste Magnetisierungsmessungen an ferromagnetischen Filmen und Mikrostrukturen"
"Time-resolved magnetization measurements on ferromagnetic films and microstructures"
Schlagwörter: Dynamics, magnetic materials, ferromagnetic resonance, numerical methods
PACS : 75.40.Gb 78.20.Ls 78.47.+p
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 3-86537-160-4 ) im Cuvillier Verlag Göttingen veröffentlicht.
Summary
Kurzfassung
Die Magnetisierungsdynamik dünner ferromagnetischer Filme und Mikrostrukturen ist von großem Interesse für die Entwicklung und Optimierung von Bauelementen der Magneto-Elektronik, wie zum Beispiel dem Magnetic Random Access Memory (MRAM). Im Rahmen dieser Arbeit wurden zeit- und frequenzaufgelöste Messungen an dünnen Filmen und Mikrostrukturen aus Eisen und Permalloy durchgeführt:
- Zeitaufgelöste Messungen unter Nutzung des magneto-optischen Kerr- Effekts: Zur Anregung der Magnetisierungsdynamik wurden kurze Magnetfeldpulse verwendet, die über Photoschalter erzeugt wurden. Hier wurden sowohl Streifen als auch periodische Gitter aus 1 µm breiten Eisendrähten untersucht. Durch die große Formanisotropie der Eisendrähte ist ihre ferromagnetische Resonanzfrequenz doppelt so hoch wie die der breiteren Eisen-Streifen. Durch die Verwendung von Doppelpulsen konnte die Magnetisierungsdynamik in Permalloy-Streifen kontrolliert angeregt und unterdrückt werden.
- Induktive Magnetisierungsmessungen mit einem gepulsten induktiven
Mikrowellen-Magnetometer (PIMM): Dabei wurden ausgedehnte Permalloy-Filme im flip-chip-Verfahren kopfüber auf einen koplanaren Wellenleiter gelegt und die Magnetisierungsdynamik induktiv vermessen. Zudem wurde die Dynamik von Mikrostrukturen, die durch Photolithographie und Liftoff-Prozessierung direkt auf einem Wellenleiter präpariert wurden, untersucht.
- Induktive Messungen der ferromagnetischen Resonanz mit einem Vektor- Netzwerkanalysator (VNA): Die im PIMM untersuchten Proben wurden mit dem VNA auch im Frequenzbereich analysiert.
Die Messungen wurden mit einem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsprogramm verglichen, in dem die Magnetisierungsdynamik mit Hilfe eines einzelnen Magnetisierungsvektors simuliert wird (Makrospin-Modell). Dabei fanden wir für die Messungen an Permalloy eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen, während es bei den Messungen an Eisen deutliche Abweichungen gab.
Titel
Kurzfassung
Summary
The magnetization dynamics of ferromagnetic thin films and microstructures are
of great interest for the development and optimization of magneto-electronic devices like the magnetic random access memory (MRAM). In the course of this thesis we performed time- and frequency-resolved measurements on Permalloy
and iron thin films and microstructures:
- Time-resolved measurements using the magneto-optical Kerr effect: Short magnetic field pulses generated in photoconductive switches were used to excite the magnetization dynamics. Both stripes and arrays of iron wires with a width of 1 µm were investigated. Due to the large shape anisotropy, the ferromagnetic resonance frequency of the iron wires is twice as high as that of the wider iron stripes. By using twin excitation pulses, we could control and suppress the time evolution of the magnetization dynamics in Permalloy stripes.
- Inductive magnetization measurements using a pulsed inductive microwave magnetometer (PIMM): In a flip-chip experiment, Permalloy thin films were put on top of a coplanar waveguide and measured inductively. Additionally, the dynamics of microstructures that were lithographically patterned directly on top of a waveguide was examined.
- Inductive measurements of the ferromagnetic resonance using a vector network analyzer (VNA): The samples analyzed using the PIMM were also characterized in the frequency domain with the VNA.
The measurements were compared to simulations calculated using a software that
was developed during the course of this thesis. The software uses the macrospin model to simulate the magnetization dynamics of thin films and microstructures. Here, all the measurements performed on Permalloy were in excellent agreement with the simulation, while the measurements on iron showed significant differences.