| License: Publishing license for publications excluding print on demand (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-opus-5072
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.10311
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication | ||||
| Date: | 29 May 2005 | ||||
| Referee: | Günther (Prof. Dr.) Bayreuther | ||||
| Date of exam: | 5 April 2005 | ||||
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Christian Back | ||||
| Classification: |
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| Keywords: | Magnetoelektronik , Spindynamik , Riesenmagnetowiderstand , Koppler , Magneto-Koppler , Magnetisierungsdynamik , PIMM , VNA-FMR , GMR-Effekt , magneto coupler , magnetoelectronics , magnetization dynamics , spin dynamics , GMR effect | ||||
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics | ||||
| Status: | Published | ||||
| Refereed: | Yes, this version has been refereed | ||||
| Created at the University of Regensburg: | Yes | ||||
| Item ID: | 10311 |
Abstract (German)
Diese Arbeit hatte zum Ziel, das dynamische Verhalten von Magneto-Kopplern zu untersuchen sowie die Magnetisierungsdynamik ferromagnetischer Nano-Schichten, die die wesentliche Komponente für die Funktion dieses Bauelements darstellen. Insbesondere interessierten die Übertragungseigenschaften und die maximale Bandbreite verschiedener Koppler-Typen: Ausgehend von kommerziell erhältlichen ...
Abstract (German)
Diese Arbeit hatte zum Ziel, das dynamische Verhalten von Magneto-Kopplern zu untersuchen sowie die Magnetisierungsdynamik ferromagnetischer Nano-Schichten, die die wesentliche Komponente für die Funktion dieses Bauelements darstellen.
Insbesondere interessierten die Übertragungseigenschaften und die maximale Bandbreite verschiedener Koppler-Typen: Ausgehend von kommerziell erhältlichen Kopplern, deren Bandbreite auf etwa 100 MHz begrenzt ist, konnte an Magneto-Koppler-Prototypen der Firma Siemens AG, Erlangen eine Bandbreite von 875 MHz nachgewiesen werden. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds konnte zudem eine nahezu lineare Signalübertragung realisiert werden. Die Induktivität der stromführenden Mikro-Spule wurde als Ursache für die Bandbreiten-Begrenzung identifiziert. An einem an 50 Ohm angepassten Magneto-Koppler, der koplanare Wellenleiter zur Signalführung verwendet, konnte schließlich eine Bandbreite von 1,2 GHz auch ohne weitere externe Magnetfelder realisiert werden. In diesem Zusammenhang wurde auch diskutiert, dass dieser Wert für den i. A. als Detektionsschicht verwendeten Ferromagneten Permalloy nicht mehr wesentlich gesteigert werden kann, da dessen Präzessionsfrequenz im Nullfeld im Bereich 1 � 2 GHz liegt.
Der Zusammenhang der Übertragungseigenschaften von Magneto-Kopplern (und anderen auf magnetoresistiven Effekten basierenden Technologien wie z. B. Festplattenleseköpfe oder der MRAM-Datenspeicher) mit den grundlegenden dynamischen Eigenschaften der entsprechenden ferromagnetischen Nano-Schichten motivierte die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von ultradünnen Py- und Fe/GaAs(001)-Schichten. Es gelang, koplanare Wellenleiter mit einer Bandbreite von mindestens 20 GHz herzustellen, so dass Limitierungen des Frequenzbereichs aufgrund des experimentellen Messaufbaus bei der Frequenz der beobachteten Effekte keine Rolle mehr spielten. Mittels der induktiven Methode PIMM wurde sodann die Präzession der Magnetisierung um das effektive Magnetfeld detektiert. Die Abhängigkeit der Präzessionsfrequenz von einem externen Magnetfeld lieferte Aussagen über die Sättigungsmagnetisierung und die beteiligten magnetischen Anisotropien. Außerdem konnte das Abklingverhalten der Präzession untersucht und das Unterdrücken des Nachklingelns durch geeignete Wahl der Breite des Anregungspulses demonstriert werden. Bei Anregung mit Pulsen relativ großer Amplitude wurde die Magnetisierung um sehr große Winkel aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt: Die entsprechenden nicht-linearen Effekte konnten detektiert und durch mikromagnetische Simulationen verifiziert werden. Mittels der die konventionelle FMR-Methode modifizierenden VNA-FMR-Methode konnten sodann die Sättigungsmagnetisierung und die beteiligten magnetischen Anisotropien von Py- und Fe/GaAs(001)-Schichten mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden. Vor allem aber erlaubte diese Methode die Detektion des intrinsischen Dämpfungsparameters: entsprechende Literaturwerte konnten exakt verifiziert werden.
Die gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur weiteren Optimierung ultraschneller Bauelemente auf Basis magnetoresistiver Effekte. Zwar ist das Phänomen der ferromagnetischen Resonanz bzw. das Präzessionsverhalten magnetischer Momente seit Jahrzehnten bekannt, jedoch wurde die Detektion dieser Effekte erst mit entsprechend breitbandigen Messgeräten möglich. So ist es im Zusammenhang der immer größeren Anforderungen an die Informationsübertragung nicht verwunderlich, dass die Magnetisierungsdynamik gerade in den letzten Jahren ein enormes Forschungsinteresse weckte.
Im Speziellen zeigt sich, dass der Magneto-Koppler durch geeignete Wahl der Vorzugsrichtungen und Kopplungs-Effekte sowie der Richtung des Magnetfeldpulses ein für die ultraschnelle Signalübertragung besonders geeignetes Bauelement darstellt. Es kann eine Bandbreite über 1 GHz erreicht werden, ein für die galvanisch getrennte Signalübertragung innerhalb heutiger Netzwerke sicher ausreichender Wert. Es konnte somit der Nachweis erbracht werden, dass die Technologie des Magneto-Kopplers eine vielversprechende Alternative zu bestehenden Koppler-Technologien darstellt, die zudem monolithisch integrierbar ist und relativ kostengünstig realisiert werden kann.
Translation of the abstract (English)
This work aimed to examine the dynamic behavior of magneto couplers as well as the magnetization dynamics of ultrathin ferromagnetic layers which represent the essential component for the function of this device. In particular, the transmission characteristics and the maximum bandwidth of different coupler types have been investigated: Starting out from commercially available couplers whose ...
Translation of the abstract (English)
This work aimed to examine the dynamic behavior of magneto couplers as well as the magnetization dynamics of ultrathin ferromagnetic layers which represent the essential component for the function of this device.
In particular, the transmission characteristics and the maximum bandwidth of different coupler types have been investigated: Starting out from commercially available couplers whose bandwidth is restricted to about 100 MHz, a bandwidth of 875 MHz could be proved with magneto coupler prototypes of the Siemens AG, Erlangen. By applying an external magnetic field, moreover, an almost linear signal transmission could be carried out. The inductance of the live micro coil was identified as the main cause for the bandwidth limitation. Finally, with a magneto coupler matched to 50 Ohms (which uses coplanar waveguides for the signal transmission) a bandwidth of 1.2 GHz could be proved even in the absence of an external magnetic field. In connection with this, it was also stated that this value cannot be increased essentially any more for the commonly used ferromagnet Permalloy as its precession frequency lies in the range of 1 � 2 GHz in the zero field case.
The connection of the transmission characteristics of magneto couplers (and other technologies based on magnetoresistive effects like e.g. hard disk read heads or the MRAM) with the basic dynamic properties of the corresponding ferromagnetic layers motivated the examination of the magnetization dynamics of ultrathin Py- and Fe/GaAs(001)-layers. For this purpose coplanar waveguides with a bandwidth of at least 20 GHz were fabricated successfully. As a consequence, limitations of the frequency range due to the experimental setup could be precluded as the frequency of the observed effects didn�t exceed 20 GHz. By means of the inductive method PIMM the precession of the magnetization around the effective magnetic field was detected. The dependence of the precession frequency on an external magnetic field provided statements about the saturation magnetization and the magnetic anisotropies involved. In addition, the decay behavior of the precession was examined as well as the suppression of ringing by a suitable choice of the width of the exciting pulse. By exciting with pulses of relatively large amplitude the magnetization was deflected from the equilibrium position by very large angles: The corresponding non-linear effects could be detected and they were verified by micromagnetic simulations. By means of the VNA-FMR method (modifying the conventional FMR method) the saturation magnetization and the magnetic anisotropies of Py- and Fe/GaAs(001)-layers could be determined thereupon with increased precision. Above all, this method permitted the detection of the intrinsic damping parameter: corresponding literature values could be verified exactly.
The won insights provide a contribution to the further optimization of ultrafast devices based on magnetoresistive effects. The phenomenon of the ferromagnetic resonance and the precession behavior of magnetic moments are known for decades, the detection of these effects, however, was not possible until broadband measurement equipment was provided. Therefore, in the context of bigger and bigger requirements on the information transmission, it isn�t surprising at all that the magnetization dynamics aroused an enormous research interest just within the last few years.
Especially it turns out that the magneto coupler represents a device particularly suitable for the ultrafast signal transmission by an appropriate choice of the preferred directions and coupling effects as well as the direction of the magnetic field pulse. A bandwidth of more than 1 GHz can be reached, a value sufficing for certain for the galvanically separated signal transmission within today�s networks. Therefore, it has been shown that the technology of the magneto coupler represents a promising alternative to existing coupler technologies, which, moreover, can be integrated monolithically at relatively low cost.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 13:19
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