Spin wave excitation and propagation in magnonic crystals prepared by focused ion beam direct writing

Abstract

Paramagnetické niklem stabilizované tenké vrstvy plošně centrovaného kubického Fe, epitaxně narostené na monokrystalickém substrátu Cu(100) jsou známy svou schopností strukturní a magnetické fázové přeměny při ozáření iontovým svazkem, a to do prostorově centrované kubické struktury charakteristické feromagnetickými vlastnostmi. Monokrystalický Cu(100) substrát je možné také nahradit Si(100) s mezivrstvou Cu(100). Pomocí fokusovaného iontového svazku lze dále snadno lokálně modifikovat magnetické vlastnosti ozařované vrstvy. Tato metoda přímého zápisu magnetických struktur je alternativou k běžným litografickým technikám, nabízející nové jimi nedosažitelné možnosti. Připravené magnetické struktury následně využíváme k propagaci spinových vln. V práci je představen celý proces od růstu vrstev, přes přípravu mikrostruktur, až po studium jejich struktury a statických i dynamických magnetických vlastností. S využitím vektorového síťového analyzátoru studujeme ve vrstvách a v mikrostrukturách připravených fokusovaným iontovým svazkem feromagnetickou rezonanci a propagující se spinové vlny. Zdrojem spinových vln o definovaných vlnových vektorech jsou litograficky připravené koplanární vlnovody, sloužící také k induktivní detekci vln. Pomocí feromagnetické rezonance kvantitativně určujeme materiálové charakteristiky jako jsou saturační magnetizace a parametr útlumu a ze spekter propagujících módů následně určujeme charakteristiky spinových vln, které porovnáváme s dalšími feromagnetickými materiály.Paramagnetic Ni-stabilized fcc Fe thin films epitaxially grown on Cu(100) are known for their capability to undergo ion-beam-induced phase transformation into ferromagnetic bcc phase. To bring these metastable films closer to the application, a Cu(100) substrate can be further substituted by Si(100) with a Cu(100) buffer layer. With the use of a focused ion beam, magnetic properties of the films can be locally tailored and modulated. Moreover, this alternative approach to the preparation of media suitable for spin-wave guidance provides patterning possibilities unattainable by conventional lithography techniques. Magnetic structures prepared in this way are studied by all-electrical spin-wave spectroscopy. This thesis covers the entire process from the metastable thin film growth, through the patterning, to structural studies and static and dynamic magnetic characterization. A broadband ferromagnetic resonance and propagating spin wave spectroscopy experiments are performed on focused-ion-beam-transformed continuous layers and microstructures. Microscale coplanar waveguides are used for inductive excitation and detection of spin waves with defined wavevectors. Magnetic properties such as saturation magnetization and damping are extracted from the ferromagnetic resonance measurements and characteristics of the propagating modes such as spin-wave decay length or group velocity are studied and compared with common ferromagnetic materials.