Dinámica de espín en microstripes de FeB para aplicaciones en magnónica: anisotropía local inducida por Rayos X

Urdiroz Urricelqui, Unai (2020). Dinámica de espín en microstripes de FeB para aplicaciones en magnónica: anisotropía local inducida por Rayos X. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.63590.

Description

Title: Dinámica de espín en microstripes de FeB para aplicaciones en magnónica: anisotropía local inducida por Rayos X
Author/s:
  • Urdiroz Urricelqui, Unai
Contributor/s:
  • González Fernández, Jesús María
  • Palomares Simón, Francisco Javier
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La magnónica es una tecnología basada en el control de las ondas de espín (OE) y candidata a la implementación de dispositivos de cálculo que, al ser la propagación de las OE independiente del transporte de carga, permitirá minimizar la energía invertida en el procesado de la información. Su desarrollo actual se puede situar entre la implementación/demostración de los bloques elementales de la circuitería a emplear y el prototipado de dispositivos funcionales. El objetivo del trabajo de tesis ha sido el de contribuir a la identificación de la fenomenología de la propagación de OE en guías inhomogéneas mediante, por una parte, el desarrollo de guías basadas en la aleación amorfa Fe80B20 en las que se han inducido modificaciones locales de la anisotropía, y, por otra parte, la caracterización detallada en las guías de los procesos de conmutación, inducción de resonancias y excitación de OE. Del estudio de la propagación de OE, se han evaluado los desfases ligados a las modificaciones locales de la anisotropía como parámetro más relevante para el desarrollo de dispositivos magnónicos interferométricos. Se han preparado, mediante ablación por láser pulsado y sobre distintos sustratos, láminas de Fe80B20 con espesores de decenas de nm. Se ha realizado la caracterización química, morfológica y estructural de las láminas “as-deposited” (“a-d”) mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X, microscopía electrónica de transmisión, y absorción y difracción de rayos X que han demostrado su amorficidad. Las medidas magneto-ópticas de la histéresis, revelan la existencia en las muestras “a-d” de una anisotropía uniáxica mientras que las de resonancia ferromagnética han permitido cuantificar su constante de anisotropía (750 J/m3) y el coeficiente de amortiguamiento de las OE (4 x 10-3). Se han seguido, mediante recocidos isotermos, los procesos de relajación estructural y cristalización que tienen lugar, respectivamente, hasta los 425 K y entre los 625 K y los 725 K. El coeficiente de amortiguamiento de las OE aumenta un orden de magnitud en la cristalización y, en consecuencia y tanto por su reducido amortiguamiento como por la posibilidad de inducir en ellas relajación y anisotropía, las películas “a-d” son las candidatas óptimas para la implementación de las guías magnónicas. Así, se han preparado guías magnónicas con dimensiones longitudinales de 0,75 mm y transversales de 15 a 25 μm, a partir de películas “a-d” y mediante litografía láser. Las guías han sido sometidas, en los sincrotrones de la ESRF y la ALS, a irradiación mediante rayos X con distintas energías, tiempos de irradiación y anchuras de haz (entre 60 nm y 2 μm) con el objetivo de estabilizar una pared de 180o en un plano transversal al eje de la guía. El objetivo se ha conseguido utilizando haces de 2 μm identificándose en la zona irradiada (ZI), mediante microscopía magneto-óptica, una anisotropía con eje fácil transversal al de la guía. La magnitud de la anisotropía local inducida es de 1 kJ/m3 y la dimensión, a lo largo del eje de la guía, de la zona con anisotropía modificada es de unas 15 m indicando que el haz de rayos X ha producido un calentamiento moderado en la ZI y en su inmediata vecindad. Las medidas de imagen magnetoóptica resuelta en tiempo (hasta 33 ps) han puesto de manifiesto la existencia de resonancias globales y locales (ZI) y la propagación de OE transversalmente al eje de la guía (zona no irradiada) o paralelamente a dicho eje (ZI). En el caso de las resonancias se ha medido, en la remanencia global, un desfase de π entre las precesiones observadas a ambos lados de la ZI asignable a una pared de 180o. Para las OE se han medido las relaciones de dispersión (velocidades de unidades de km/s) y las distancias de propagación (de hasta las decenas de μm). En particular se ha medido un desfase de π/4 entre las OE que se propagan a frecuencias de hasta 7 GHz a ambos lados de la ZI. En conclusión, se ha identificado i) la irradiación mediante rayos X como un método de inducción de modificaciones locales micrométricas de la anisotropía que permite estabilizar en guías amorfas de Fe80B20 estructuras similares a paredes de 180o y ii) la existencia de desfases entre las OE que se propagan a ambos lados de una ZI que pueden hacer posible la implementación de dispositivos interferométricos. ----------ABSTRACT---------- Magnonics is a technology based on the control of spin waves (SW) and a candidate for the implementation of computing devices that, since the SW propagation is independent of the charge transport, will allow minimizing the energy invested in the information processing. Its current development can be identified between the implementation/demonstration of the circuitry elementary blocks and the functional devices prototyping. The objective of the PhD Thesis has been to contribute to identify the phenomenology of the SW propagation in magnetically inhomogeneous guides by means of, on the one hand, the implementation of amorphous Fe80B20 alloy-based guides incorporating local anisotropy modifications, and, on the other, the detailed characterization of the switching mechanisms, resonance induction and SW excitation processes in those guides. From SW propagation studies, the phase shifts linked to local anisotropy modifications have been evaluated as the most relevant parameter for the interferometric magnonic devices development. Fe80B20 films with tens of nm thicknesses have been prepared by pulsed laser ablation on different substrates. Chemical, morphological and structural characterization of as-deposited (a-d) samples has been performed by means of X-ray photoelectron spectroscopy, transmission electron microscopy, and X-ray absorption and diffraction that jointly evidenced the a-d films amorphicity. Hysteretic magneto-optical measurements revealed the presence in a-d samples of an uniaxial anisotropy, while ferromagnetic resonance measurements allowed to quantify the anisotropy constant (750 J/m3) and the SW damping coefficient (4 x 10-3). By means of isothermal anneals the structural relaxation and crystallization processes, taking place up to 425 K and in the range from 625 K up to 725 K, respectively, have been followed in detail. Importantly, the SW damping coefficient increased an order of magnitude upon completion of the crystallization. Consequently, and both due to their reduced damping and the possibility of experiencing relaxation and anisotropy modifications, the a-d films are the optimal candidates for the magnonic inhomogeneous guides implementation. Magnetic guides with 0.75 mm and 15 to 25 μm, longitudinal and transverse dimensions, respectively, have been prepared from a-d films by laser lithography. The guides have been submitted, at the ESRF and ALS synchrotrons, to X-ray irradiation by varying the beam energy and width (between 60 nm and 2 μm) and the irradiation times, in order to locally stabilize a 180° wall in a plane transverse to the guide axis. The objective has been achieved by using a 2 μm wide beam that have induced, at the irradiated zone (IR), an uniaxial anisotropy with an easy axis transverse to the guides morphological long axis, as identified by means of magnetooptical microscopy. The local induced anisotropy magnitude is 1 kJ/m3 and the modified region dimension, along the long axis of the guide, is about 15 μm indicating that the X-ray beam has produced a moderate heating at the IR and its immediate vicinity. The time resolved magnetooptic image measurements (taken with time intervals down to 33 ps) have shown the existence of global and local resonances (IR) and the SW propagation transverse to the guide long axis (non-irradiated zone) or parallel to that axis (IR). Regarding the resonances, at the global remanence, a difference between the phases of the precessions taking place at both sides of the IR, assignable to the occurrence of a 180° wall, has been measured. In the case of propagating SWs, dispersion relationships (velocities of tens of km/s) and propagation distances (up to tens of μm) have been measured. In particular, a π/4 phase difference between the SWs propagating at frequencies of up to 7 GHz at both sides of the IR has been measured. In conclusion, i) X-ray irradiation has been identified as a method for inducing local micrometric anisotropy modifications allowing to stabilize in amorphous Fe80B20 guides structures similar to 180° walls and ii) the occurrence of phase shifts between the SWs that propagate on both sides of the IR would make possible the interferometric devices implementation.

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Item ID: 63590
DC Identifier: http://oa.upm.es/63590/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:63590
DOI: 10.20868/UPM.thesis.63590
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Sep 2020 06:45
Last Modified: 07 Sep 2020 06:45
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