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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-357444
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.35744
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Verlag: | Universität Regensburg |
| Ort der Veröffentlichung: | Regenburg, Bayern |
| Seitenanzahl: | 101 |
| Datum: | 7 Juli 2017 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr Christian Back |
| Tag der Prüfung: | 7 Juni 2017 |
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back |
| Stichwörter / Keywords: | Magnetismus, Spin, Spin Hall Effect |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 35744 |
Zusammenfassung (Englisch)
Broad study of magnetic properties of YIG films is performed. This thesis covers the whole path from YIG sample growth to characterization of magnetization dynamics. In the sub-chapter 5.1, full magnetic characterization of the thin sputtered YIG films is given. A batch of YIG samples with thicknesses of 19, 29, 38 and 49 nanometer is grown by magnetron sputtering for the spin waves experiment. ...
Zusammenfassung (Englisch)
Broad study of magnetic properties of YIG films is performed. This thesis covers the whole path from YIG sample growth to characterization of magnetization dynamics. In the sub-chapter 5.1, full magnetic characterization of the thin sputtered YIG films is given. A batch of YIG samples with thicknesses of 19, 29, 38 and 49 nanometer is grown by magnetron sputtering for the spin waves experiment. The thickness and the surface roughness are controlled by XRR and AFM measurements. The obtained sample thickness differs by the value of about 1 nm from the planed sample thickness which means that the growth process is well established. Saturation magnetization of the samples is measured by SQUID. The value for the thickest 49 nm sample is 163 mT which is very close to the bulk value (175 mT). With decrease of the sample thickness the saturation magnetization drops up to 99 mT for 19 nm sample. We performed the FMR measurements of the samples to determine the Gilbert damping parameter. The Gilbert damping is 0.00024 for 49 nm sample and grows up to 0.0008 for 19 nm sample. Such dependence of the damping on the sample thickness is typical for the systems were two magnon scattering is a dominant relaxation mechanism. These values of damping are bigger than the values of the Gilbert damping reported in the literature for the samples grown by PLD and LPE techniques. Dependence of the resonance frequency on the resonance field is measured to determine the effective magnetization and subsequently to calculate the anisotropy constant. Our samples possess rather large out-of plane anisotropy which is the evidence of a good crystalline structure. Despite large Gilbert damping the samples are proper for spin waves measurements.
In sub-chapter 5.2 results of the spin wave measurements are provided. We performed TR-MOKE imaging of the spin waves in thin YIG films and extracted the mode structure of the spin waves. For quasi single mode excitation we were able to fit the SW decay with a damped oscillator function providing us with information about the attenuation length in the thin YIG film structures for the first spin wave mode. MUMAX simulations were performed to compare experimental and simulated modes. The MOKE data is in a very good agreement with these simulations. The physical origin of long propagating „edge modes“ is revealed during the measurements. The reason is the microwave current flowing in Ti/Au capping of the YIG film. This current is excited inductively by the CPW. Measurements of the spin wave attenuation length showed that the spin waves propagate as if the Gilbert damping is much higher (α ≈ 0.002) than measured for pure YIG. This occurs due to the presence of the spin pumping at the YIG/Ti interface. To check this, comparative measurements of spin wave
propagation on stripes capped with Ti/Au and Aluminum are performed. For Al capped films the decay length increases by roughly a factor of 2. These results make sense since the spin pumping should much smaller for such light metal as Al.
To make a double check of this hypothesis the separate measurements of the spin pumping at the YIG/Ti interface were performed. We measured the Gilbert damping on the YIG/Ti, YIG/AlOx/Ti, YIG/Au and YIG/AlOx/Au samples with FMR technique. Enhanced Gilbert damping with the value α = 0.0021 is observed only in case of YIG/Ti interface. This confirms our hypothesis about the spin pumping. We calculated the spin-mixing conductance for YIG/Ti films. Obtained value is 4.1∗1017 m-2 which is approximately three times smaller than for YIG/Pt interfaces.
We also studied the dependence of the Kerr signal on the thickness of the reflecting capping layer on top of the YIG film to find the optimal thickness for MOKE experiments. The optimal thickness lies in range between 6 and 10 nm. The unexpected result is that we are able to see the spin waves through rather thick (about 40 nm) Au layer. The question arises whether we probe directly the spin waves in YIG film with the laser through a thick metal layer, or it is a spin accumulation signal in Au layer created by the spin pumping from YIG film. This might become an object of the further study.
In sub-chapter 5.4 results of the spin Hall measurements are provided. Dependence of the FMR linewidth on the applied current has a form of asymmetric parabola. This is due to heating effects caused by the current running through the Pt films. Unfortunately, GGG substrate is a very bad heat sink which makes direct observation of the linear, spin Hall - based contribution rather difficult. Nevertheless we are able to extract linear part from parabolic dependence which is proportional to the spin Hall angle. For 30 nm YIG sample with 12 nm evaporated Pt film the value for the spin Hall angle is 0.026. The reason why the measured value is small is a very low interface transparency (T= 0.18). The intrinsic spin Hall angle is 0.141 correspondingly. This result is consistent with the values reported in literature. To improve the interface transparency we studied spin pumping of Pt films grown by different methods. MBE grown Pt turned out to be the best choice since it shows the largest spin pumping. For 30 nm YIG sample with 9 nm of MBE grown Pt the value of the spin Hall angle is 0.088. The interface transparency is indeed larger (0.57) and the value of the intrinsic spin Hall angle is 0.152. As expected the intrinsic value of the spin Hall angle is approximately the same for both experiments.
The attempt was made to reduce the heating by switching to the pulsed mode. Unfortunately, the MOKE experimental setup does not allow us to work with pulse duty cycle larger than 10. The pulsed mode measurements show that heat contribution still has a dominant influence on FMR linewidth.
The SHE effect measurements gave us correct values for the spin Hall angle. Unfortunately, they also showed that the sputtered YIG on GGG can not be considered as a candidate for auto oscillations measurements due to its large Gilbert damping and accumulation of the heat in the area of the current flow.
In sub-chapter 5.6 we show results measured with microwave cavity on thick LPE grown YIG. The cavity method gives accurate results only in the approach of weak electromagnetic field perturbation inside of the cavity. In our case the sample volume was to large, which made the accurate calculation of the spin Hall angle impossible. Nevertheless the observed effect is definitely tailored to the spin Hall angle. The cavity measurements showed that for very big (≈ 104) current pulse duty cycles the heating effect is negligibly small. They also showed that the heat that changes the FMR linewidth is accumulated on the large time scale (> 50 µs). The current pulse width is 50 µs and there is no measurable heating influence on the damping.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und magnetische Charakterisierung von dünnen, gesputterten Yttrium-Eisen-Granat (YIG) Filmen via Messungen der Sättigungsmagnetisierung, ferromagnetischer Resonanz (FMR) und Spinwellenausbreitung. In Abschnitt 5.1 ist die Herstellung und magnetische Charakterisierung dargestellt. Zur anschließenden Messung der Spinwellenausbreitung werden ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Herstellung und magnetische Charakterisierung von dünnen, gesputterten Yttrium-Eisen-Granat (YIG) Filmen via Messungen der Sättigungsmagnetisierung, ferromagnetischer Resonanz (FMR) und Spinwellenausbreitung. In Abschnitt 5.1 ist die Herstellung und magnetische Charakterisierung dargestellt. Zur anschließenden Messung der Spinwellenausbreitung werden Schichten mit den Dicken 19, 29, 38 und 49 nm per Sputter-Verfahren hergestellt um die Dickenabhängigkeit der magnetischen Parameter zu quantifizieren. Dicke und Oberflächenqualität werden mit Hilfe von Röntgenbeugung (XRR) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) überprüft und liefern zufriedenstellende Ergebnisse. Messungen der Sättigungsmagnetisierung per " superconducting quantum interference device" (SQUID) zeigen einen Abfall der Sättigungsmagnetisierung mit sinkender Dicke, von 163 mT (bulk-Wert YIG: 175 mT) bei 49 nm auf 99 mT für 19 nm. Messungen der FMR liefern ähnliche Ergebnisse für die Gilbert Dämpfungsparameter; bei 49 nm ist der Wert α=2.4•10-4 und steigt bis auf α=8•10-4 für 19 nm Schichtdicke. Der Anstieg mit fallender Schichtdicke ist ein Indiz für Zwei-Magnonen-Streuung als dominanter Relaxationsmechanismus. Die Absolutwerte der Dämpfung sind höher als die in der Literatur gegebenen Werte für zwei andere Herstellungsverfahren von ultradünnen YIG Schichten, Laserstrahlverdampfung (PLD) und Flüssigphasenepitaxie (LPE), allerdings sind sie ausreichend niedrig um die Spinwellenausbreitung über einige Mikrometer zu erlauben. Als zusätzliches Indiz der guten Qualität der Schichten wurde die senkrechte Anisotropie aus frequenzabhängigen FMR Messungen bestimmt und die hohen bestimmten Werte lassen auf eine gute Kristallstruktur schließen.
Im Abschnitt 5.2 werden die Ergebnisse der Spinwellenexperimente diskutiert. Die Ausbreitung und Modenstruktur von Spinwellen in mikrostrukturierten Streifen wir mithilfe des Magnetooptischen Kerr Effekts (MOKE) bestimmt. Um die Reflektivität der an sich transparenten YIG-Schichten zu erhöhen wird eine dünne Ti/Au-Reflexionsschicht (3nm/10nm) aufgedampft. Die experimentell bestimmte Modenstruktur lässt sich konsistent mit den vorher bestimmten magnetischen Parametern erklären, wenn parasitäre Felder berücksichtigt werden, die von induzierten Strömen in den Ti/Au-Schichte herrühren. Dies wird mit mikromagnetischen Simulationen eindrucksvoll gezeigt.
Über die Spinwellenausbreitung kann auch die Abklinglänge bestimmt werden, über welche wiederrum mit Hilfe der Dispersionsrelation der Gilbert Dämpfungsparameter berechnet werden kann. Es zeigt sich dass die so bestimmte Dämpfungskonstante um einen Faktor 3 höher ist als der mit FMR bestimmte Wert. Dieser Effekt wird durch Spinpumpen in die Ti/Au Schicht verursacht, wie in Vergleichsexperimenten mit reinen Al-Relexionsschichten gezeigt wird, in welchen die Abklinglänge fast doppelt so groß ist. Dieses Ergebnis erfüllt die Erwartungen, da Al als Material mit niedrigem Spinpumpen bekannt ist.
In Abschnitt 5.3 wird genauer auf den Spinpumpen Effekt an YIG/Ti eingegangen. Die Gilbertdämpfung wird für YIG/Ti, YIG/Al2O3/Ti, YIG/Au und YIG/Al2O3/Au gemessen und zeigt einen signigfikanten Anstieg der Dämpfung mit Werten von über α=2.4•10-3 nur im YIG/Ti System. Dieses Ergebnis bestätigt die Hypothese, dass das Spinpumpen in Ti die hohe Dämpung verursacht. Die Spin mixing Leitfähigkeit für YIG/Ti Interface wird zu 4.1 × 〖10〗^17 m^(-2) berechnet, was etwa einem, Drittel des Wertes für die meist studierte YIG/ Pt Grenzschicht entspricht.
All weiterer Punkt wird die Abhängigkeit des Kerrsignals von der Dicke der metallischen Reflexionsschicht untersucht um die optimale Dicke für MOKE Experimente zu finden; das Ergebnis hierfür liegt zwischen und 10 nm. Ein unerwartetes Resultat allerdings ist die Tatsache dass die Spinwellen auch durch die dicksten Au-Schichten mit 40nm detektiert werden können. Eine Vermutung hier ist, dass nicht direkt die Magnetisierung im YIG, sondern die Spinakkumulation im Au gemessen wir, was in zukünftigen Messungen untersucht werdenn könnte.
Im Abschnitt 5.4 werden die Ergebnisse der Spin Hall Winkel (SHA) Messungen präsentiert. Die Abhängigkeit der FMR linienbreite vom Strom entspricht einer asymmetrischen Parabel. Diese Form entsteht durch die Aufheizung der Probe durch den Strom. Da das verwendete Substrat, GGG, ein schlechter Wärmeleiter ist, sind diese Effekte unausweichlich und erschweren die direkte Betrachtung des SHE, der die Linienbreite linear mit dem Strom moduliert. Durch fitten der Linienbreite kann jedoch trotzdem der lineare Anteil extrahiert werden. Für 30 nm dicke YIG Schichten mit 12 nm aufgebrachter Pt Schicht wird daraus ein SHA von 0.026 bestimmt. Dieser vergleichsweise niedrige Wert wird durch eine geringe Transparenz der Pt/YIG Grenzfläche (T=0.18) verursacht . Der entsprechende intrinsische Wert ist 0.14, was gut mit Literaturwerten übereistimmt. Um die Grenzflächentransparenz zu verbessern wird das Spinpumen in Pt Schichten untersucht die mit verschiedenen Methoden hergestellt wurden. Diese Experimente zeigen, dass Pt-Schichten die mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) hergestellt werden den größten Spinpumen Effekt zeigen. Entsprechen ist auch der SHA für eine 30 nm YIG Schicht mit 9 nm MBE-gewachsenenm Pt mit 0.088 deutlich erhöht. Über die ebenfalls bestimmte Grenzflächentransparenz T=0.57 wird daraus der intrinsische SHA zu 0.15 bestimmt. Wie erwartet liegen beide intrinsischen Werte im Fehlerbereich zusammen. Um die Erwärmung der Probe bei den SHE Messungen zu verringern wird auch im Pulsbetrieb gearbeitet. Durch die Begrenzung des Arbeitszyklus auf <10 im benutzten Aufbau kann der Einfluss der Wärme allerdings nicht vollständig ausgeschlossen werden. Die Wärme hat immer noch dominanten Anteil an der Linienverbreiterung.
Zusammenfassend kann gesagt werden dass die SHE Messungen die korrekten Werte für den SHA liefern. Allerdings wird auch ersichtlich dass dünne gesputterte YIG Schichten auf GGG für autoozillations-Experimente ungeeignet sind.
Im Abschnitt 5.6 werden Ergebnisse von SHE Messungen an dicken, mit Liquid Phase Epitaxie gewachsenen Proben diskutiert. Die verwendete Mikrowellen-Resonator Methode liefert korrekte Ergebnisse nur für ein relativ kleines elektro-magnetisches Störpotential. Im betrachteten Fall ist das Probenvolumen groß und macht die quantitative Bestimmung des SHA unmöglich. Allerdings kann gezeigt werden dass durch Arbeiten im Pulsmodes mit eine Arbeitszyklus von ≈104 der Wäremanteil komplett unterdrückt werden. Die Messungen zeigen dass sich die Erwärmung der Probe, die zu einer Linienverbreiterung führt auf einer Zeitskala von >50 µs aufbaut. Daher wird die Breite des Strompulses auf 50 µs eingestellt, so dass sich keine messbare Linienverbreiterung zeigt.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 21:13
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