Magnetic anisotropy control in rare earth iron garnet thin films for spintronic devices and all-optical ultrafast manipulation of magnetization
Spintronik uygulamaları için nadir toprak demir garnet ince filmlerde manyetik anizotropi kontrolü ve tam optik ultra hızlı manyetizma kontrolü
- Tez No: 679882
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 206
Özet
Spine dayalı bellek ve mantık devreleri; Joule ısınmasını azaltan manyetik yalıtkanlar ve ultrahızlı spin dinamikleri sayesinde hızlı, kalıcı ve verimli çalışabilme potansiyelini içermektedir. Manyetik yalıtkan demir garnetlerden çok az sayıda bulunmaktadır ve bunların manyetik özelliklerinin kolayca ayarlanamamaları nedeniyle spintronik aygıt uygulamaları kısıtlanmaktadır. Bu nedenle, düşük güç tüketimli spintronik uygulamaları için düşey manyetik eşyönsüzlüğe ve manyetik doyum alanına sahip yeni demir garnet filmlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu tezde, kuramsal, modelleme ve deneysel çalışmalarla epitaksiyel demir garnet ince filmlerin manyetik eşyönsüzlüklerin kontrolü ve kuantum sınırlandırmalı metalik nanokatmanlarda tam optik manyetizma dinamiklerinin kontrolü sunulmaktadır. İlk olarak, yalıtkan nadir toprak demir garnet (REIG) filmlerinin (Re3Fe5O12, Re; nadir toprak iyonları Y, Tm, Dy, Ho, Er, Yb, Tb, Gd, Sm, Eu) manyetik anizotropi özelliklerini tanımlamak için bir anizotropi modeli geliştirdik. Beş garnet alttaşı üzerinde örgüleri uyumlu ve epitaksiyel olarak büyütülecek on farklı REIG filmi için şekil, manyetokristal ve manyetoelastik terimlerini kullanarak efektik manyetik anizotropi fonksiyonunu hesapladık. Manyetik kolay eksenlerinin 50 film/alttaş çiftinden yirmisinin düzleme dik manyetik kolay eksene (PMA) sahip olacağını tespit ettik. Bunlardan sadece 7 tanesi deneysel olarak bugüne kadar test edilmiş ve doğrulanmıştır. PMA garnetlerinin manyetik doygunluk alanlarının neredeyse 100 kat aralığı kapsayabileceğini (300 Oe ilâ 12.6 T) ve mevcut PMA garnet sınıfını önemli ölçüde genişleteceğini öngörmekteyiz. Öngörülerimizi test etmek için 800°C ve 650°C'de darbeli lazer biriktirme kullanarak Gd3Ga5O12 ve Tb3Ga5O12 alttaşlar üzerinde 420 ve 67 nm kalınlığında Holmium demir garnet filmleri büyüttük. X-ışını girişimi ve manyetik histerezis (ardılizlem) ölçümleri, 67 nm HoIG için faz saflığını ve PMA'yı göstermektedir ve modellerimizdeki öngörümüzü doğrulamaktadır. Güncellenmiş mikroskopik üç sıcaklık modelini kullanarak lazer darbe parametrelerinin ve manyetik elemental metal ince film özelliklerinin femto- ve pikosaniye manyetizasyon dinamikleri üzerindeki etkisini sistematik olarak inceledik. Elektron, fonon ve spin banyoları arasındaki enerji transferini modelledik. Yüksek Curie sıcaklığına sahip metaller (Fe, Co ve Ni) için bir manyetizasyon inişi (ilk 200 fs) ve geri kazanımı (sonraki birkaç ps) olacağı öngörülmektedir. Kuantumla sınırlandırılmış kalınlık rejiminde (t < 50 Å), manyetik metallerdeki spin-fonon saçılmasının, durum yoğunluğunun azalması nedeniyle önemli ölçüde azalabileceği öngörmekteyiz. Bu nedenle, THz spin dalgası üretiminin, daha önce bildirilen deneysel değerlerle karşılaştırıldığında, yaklaşık bin kata kadar daha düşük lazer akısı ile uygulanabilir hâle gelebileceği tespit edilmiştir. Modellerimiz ve deneylerimizin, spintronik uygulamalar için asgari Joule ısınması gösteren PMA demir garnet sınıfını genişleteceğini ve ultra hızlı manyetizma dinamiklerini çok daha verimli bir şekilde kontrol etmeye yardımcı olabileceğini öngörmekteyiz.
Özet (Çeviri)
Spin-based memory and logic devices might provide a promising route for fast, nonvolatile and power-efficient operation using magnetic insulators with minimal Joule heating and ultrafast spin dynamics, which can be controlled all optically. There are very few magnetic insulator iron garnets, whose magnetic properties cannot be tuned easily and limit spintronic device applications. Thus, new iron garnets with perpendicular magnetic anisotropy and low saturation fields are needed for ultra-low power spintronics. In this thesis, we present theory, modelling and experimental studies on controlling magnetic anisotropy in epitaxial iron garnet thin films and all-optical control of magnetization dynamics in quantum-confined metallic nanolayers. First, we developed an anisotropy model for describing the magnetic anisotropy characteristics of insulating rare earth iron garnet (REIG) films (Re3Fe5O12, Re; rare-earth ions Y, Tm, Dy, Ho, Er, Yb, Tb, Gd, Sm, Eu). We construct an effective anisotropy energy using shape, magnetocrystalline, and magnetoelastic terms for ten different REIG films grown epitaxially and lattice-matched on five commercially-available garnet substrates. We calculated their magnetic easy axes and predict that 20 different pairs out of 50 to possess out-of-plane magnetic easy axis (PMA). Only 7 of them were experimentally tested and confirmed. We predict that the magnetic saturation fields of PMA garnets could span two orders of magnitude (300 Oe to 12.6 T), significantly expanding the available PMA garnet class. To test our predictions, we grew 420 and 67 nm-thick Holmium iron garnet films on Gd3Ga5O12 and Tb3Ga5O12 substrates using pulsed laser deposition at 800°C and 650°C. X-ray diffraction and magnetic hysteresis loop measurements indicate phase purity and PMA, respectively, for 67 nm HoIG, confirming our prediction. Using a modified microscopic three temperature model, we investigate the effect of laser pulse parameters and magnetic elemental metal thin film properties on the femto- and picosecond magnetization dynamics. We model the coupled energy transfer between electrons, phonons and spin baths. A magnetization quenching (in sub-200 fs) and recovery (a few ps) was found for metals with high Curie temperature (Fe, Co, and Ni). In the quantum-confined thickness regime (t < 50 Å), spin-phonon scattering in magnetic metals are significantly reduced due to the reduced density of states. Thus, THz spin wave emission might become feasible with three orders of magnitude lower laser fluence compared with the previously reported experimental values. Our models and experiments could expand the available PMA iron garnets with minimal Joule heating for spintronics and help control ultrafast spin dynamics much more efficiently.
Benzer Tezler
- Tabakalar arası çiftlenme ve kuantum faz dalgalanmalarının josephson-bağlı tabakalı süper iletkenlerin fiziksel özelliklerine etkisi
Başlık çevirisi yok
METİN HÜNER
Doktora
Türkçe
1998
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENVER NAKHMEDOV
- Co/CoO tabanlı ince filmlerde exchange bıas'ın elektrik alan ile kontrolü
Electric field control of exchange bias in Co/CoO based thin films
MUSTAFA ÖZTÜRK
Doktora
Türkçe
2016
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NUMAN AKDOĞAN
- Investigating magnetic properties of dot/antidot structures in magnetic thin films for microwave device applications
Manyetik ince filmlerdeki nokta/boşluk yapıların manyetik özelliklerinin mikrodalga cihaz uygulamaları için incelenmesi
ZEYNEP REYHAN ÖZTÜRK
Doktora
İngilizce
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET LEVENT KURNAZ
PROF. DR. FİKRET YILDIZ
- STT-MRAM uygulamalarına yönelik P-MTJ geliştirilmesi ve karakterizasyonu
P-MTJ fabrication and characterization for STT-MRAM applications
FATMA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ÖZTÜRK
- Synthesis of magnetically anisotropic janus particles by droplet-based microfluidics
Damlalcık temelli mikroakışkan sistemde manyetik özellikli anizotropik janus parçacıkların sentezi
MUHAMMAD SAQIB
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE YEGAN ERDEM