Elektromagnetische Strahlung im Terahertzfrequenzbereich von 0.1 bis 30 THz bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in Spektroskopie- und Bildgebungsverfahren, sowohl im Bereich der Grundlagenforschung, als auch für industrielle Prozesse. Da der Terahertzspektralbereich jedoch zwischen den mit etablierten elektronischen und optischen Emittern gut zugänglichen Mikrowellen- und Infrarotspektralbereichen liegt, sind Emittersysteme immer noch teuer und limitiert in Bezug auf Leistung und Bandbreite. Ein neues vielversprechendes Konzept für die Terahertzerzeugung stellen die sogenannten spintronischen Emittersysteme dar. Diese bestehen aus Multilagensystemen ferromagnetischer (FM) und nichtmagnetischer (NM) Metallschichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer. Die Anregung einer FM/NM-Bilage mit einem femtosekundenlangen optischen Laserpuls führt zur Ausbildung eines spinpolarisierten Ladungsstromes Js von der FM in die NM Schicht, der auf der Anregung spinpolarisierter Elektronen der FM Schicht über das Ferminiveau beruht. In der NM Schicht wird Js auf Grund des inversen Spin-Hall-Effekts in einen transversalen Ladungsstrompuls Jc konvertiert, der zur Emission elektromagnetischer Strahlung im Terahertzfrequenzbereich führt. Die Abstrahlcharakteristik der Emitter kann durch Variation der verwendeten Materialien, Schichtdicken, oder durch die Verwendung komplexerer Multilagensysteme optimiert werden.
Die vorliegende Arbeit präsentiert Studien zu spintronischen Terahertzemittersystemen basierend auf verschiedenen magnetischen dünnen Filmen kombiniert mit Pt und W Schichten. Die Abhandlung kann in zwei Teilbereiche untergliedert werden. Das Ziel der ersten drei Studien war die Untersuchung des Einflusses der magnetischen Eigenschaften unterschiedlicher FM und insbesondere auch ferrimagnetischer (FI) Legierungsschichten auf die Terahertzemission. Hierfür wurden Bilagensysteme bestehend aus NM Pt Schichten in Kombination mit FM CoFe, sowie FI TbFe und GdFe Legierungsschichten mit variierendem Eisengehalt (0 ≤ x ≤ 1) hergestellt. Die laserangeregte Terahertzemission wurde in Abhängigkeit des angelegten Magnetfelds, der Fluenz des Anregungslasers und der Temperatur gemessen. Die Ergebnisse wurden unter Einbeziehung detaillierter Untersuchungen der strukturellen, magnetischen, elektrischen und optischen Eigenschaften der Proben erklärt. Der zweite Teilbereich der Arbeit befasst sich mit der Entwicklung komplexerer Multilagenterahertzemittersysteme, welche das Schalten der Amplitude zwischen Zuständen hoher und niedriger Terahertzemission ermöglichen und zudem Potential für eine Steigerung der Terahertzamplitude bieten. Hierfür wurde, basierend auf den Terahertzemissioncharakteristiken des zuvor untersuchten FI Pt/GdFe Systems, ein Emitter entwickelt, der das Schalten der Terahertzamplitude durch Veränderung der Temperatur ermöglicht. In einer weiteren Studie wurde zudem die Anwendung eines Spin-Valve-Systems als magnetisch schaltbares Emittersystem demonstriert. Dieses ermöglicht ein reversibles Schalten der Emissionsamplitude mit kleinen angelegten magnetischen Feldern in der Größenordnung weniger Millitesla.Electromagnetic radiation in the terahertz (THz) frequency range from 0.1 to 30 THz can be highly useful for spectroscopy and imaging experiments in fundamental scientific research as well as for industrial applications. However, as THz regime bridges the gap between electronic and optical frequencies, emitter systems are still expensive and limited in power and bandwidth. A novel approach to overcome these challenges is given by the so-called spintronic terahertz emitters, which are based on ferromagnetic (FM) and non-magnetic metal (NM) layers with thicknesses of a few nanometers. Excitation of a FM/NM bilayer with a femtosecond optical laser pump pulse leads to the formation of an ultrafast spin current Js from the FM toward the NM layer, which is caused by the excitation of spin-polarized electrons of the FM layer above the Fermi level. In the NM layer, Js is converted into a transverse charge current pulse Jc due to the inverse spin Hall effect, which leads to the emission of electromagnetic radiation in the THz frequency regime. The emission properties of the emitters can be optimized by utilizing different materials, layer thicknesses, or more complex multilayer structures.
The present work shows studies of spintronic THz emitter systems that are based on different magnetic thin films combined with Pt and W layers. The experimental studies can be divided into two parts. The main goal of the first part was to investigate how the magnetic properties of different FM and in particular also ferrimagnetic (FI) materials are reflected in the THz emission properties of a spintronic emitter system. Therefore, thin bilayers consisting of FM CoFe, or FI TbFe or GdFe alloy thin films with varying Fe content (0 ≤ x ≤ 1), combined with Pt layers have been prepared. The laser-excited spintronic THz emission has been investigated in dependence on the applied magnetic field, the temperature, and the pump fluence of the excitation laser. The results have been explained with regard to detailed characterizations of the structural, magnetic, electrical, and optical properties of the samples. The second goal of this work was set on the development of more functional multilayer emitter systems that allow for the control of the THz emission amplitude between a high- and a low-amplitude state and also might open the way for higher THz emission amplitudes. Based on the results of the previously investigated FI Pt/GdFe bilayer emitter system, a new concept of a THz emitter that can be switched by a temperature change from a high- to a low-amplitude state has been developed. Additionally, the use of a spin-valve system as a spintronic emitter system that allows for the switching of the emission amplitude by small applied magnetic fields in the range of a few millitesla has been demonstrated
