Chiral and linear spin structures in 2D nanostructured magnonics
2B nanoyapılı magnonik devrelerde kiral ve doğrusal spin yapıları
- Tez No: 835260
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. MEHMET CENGİZ ONBAŞLI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 208
Özet
Düşük güç, geniş bant, hızlı ve kalıcı mantık ve bellek aygıtlarına olan ihtiyaç, ince film ve 2B malzemelerde kiral ve lineer spin yapılarındaki araştırmaları hızlandırdı. Kalıcı mantık ve bellek için, skyrmion'lar, harici manyetik alana veya termal bozulmalara karşı nano ölçekli topolojik korumaları ve spin polarize akım kullanılarak manipüle edilebilme yetenekleri nedeniyle gelecek vadeder. Bu tezde, manyetik film parametrelerinin, geometrilerinin ve dış sürüş koşullarının fonksiyonları olarak kiral ve lineer spin yapılarının kararlılıkları ve verimli transferleri için hesaplamalı mikromanyetik modeller kullanılmıştır. Ayrıca itriyum demir garnet filmleri üretilmiş ve manyetik yalıtkan tabanlı verimli spintronik uygulamaları için özellikleri karakterize edilmiştir. İlk önce nano ölçekli magnon filtrelerde spin dalgaları incelenmiştir. Genişlik modülasyonlu geometrilere sahip magnonik kristallerdeki spin dalgaları, seçici olarak aktarılır, spektrumları filtrelenir ve mantık devresi işlevlerine sahiplerdir. Gilbert sönümleme, tek eksenli manyetik anizotropi, geometri ve uyarma frekansının harici DC ve RF manyetik alanlar altındaki spin dalga modlarının zamansal ve spektral profilleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. İletim spektrumları hem spektral filtrelemenin hem de doğrusal olmayan frekans dönüşümünün elde edilebileceğini göstermiştir. İkincisi, manyetik heteroyapılarda sentetik antiferromanyetik olarak eşleşmiş (SAF) skyrmionların sayısal ve analitik modelleri geliştirilmiştir. SAF skyrmion'lar gelecek vadeder, çünkü ferromanyetik muadillerinden daha düşük akımla ve ferromanyetik skyrmion'ların aksine topolojik Hall etkisi olmadan çalıştırılabilirler. SAF skyrmion'larının 10-1000 kat daha az akım gerektirdiği ve ferromanyetik skyrmion muadillerine kıyasla hiçbir topolojik Hall etkisi yaşamadığı bulunmuştur. Akım yoğunluğundaki azalma, 1 milyon kata kadar daha düşük güç tüketimine ve aygıt güvenilirliğini sağlayabilir. Malzeme özelliklerinin (Ms, tek eksenli anizotropi ve Dzyaloshinskii-Moriya etkileşimi) SAF skyrmion'ların stabilitesini ve yarıçaplarını belirlediği tespit edilmiştir. SAF skyrmion'larında topolojik Hall etkisinin ortadan kaldırıldığı, hızlarının arttığı, dış akım, sıcaklık, filmin polikristalliği ve kenar pürüzlülüğüne karşı kararlılığının arttığı gösterilmiştir. SAF skyrmion mantık devreleri modellenmiş ve performansları ferromanyetik skyrmion mantık devreleri ile karşılaştırılmıştır. Daha yüksek hız ve daha düşük çalışma süreleri, SAF skyrmion mantık devrelerinin verimli, hızlı ve bellek içi mantık uygulamaları sağlayabileceğini gösterir. Üçüncüsü, büyütme koşullarının filmlerin yapısal ve manyetik özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak için darbeli lazer biriktirme (PLD) ile gadolinyum galyum garnet alttaşları üzerinde itriyum demir garnet (YIG) büyütülmüştür. Büyüme sıcaklığı, hedef-alttaş mesafesi, lazer atım hızı ve enerji gibi PLD büyüme parametreleri, filmlerin epitaksiyel kalitelerini ve kristalliklerini büyük ölçüde etkileyebilir. Yapısal, manyetik ve optik karakterizasyon, YIG örgülerinin sıkıştırma gerinimine ve az miktarda demir eksikliğine sahip olduğunu göstermiştir. YIG filmlerinin yığından daha düşük Ms değerleri, filmlerin hafif demir eksikliğiyle açıklanmıştır. Epitaksiyel ve manyetik kaliteye sahip YIG filmleri elde etmek için büyütme süreci optimize edilmelidir. Modellerimiz ve deneylerimiz, gelecekte geleneksel mikro elektroniği tamamlamak için verimli, hızlı, kalıcı ve nano ölçekli spintronik aygıt uygulamalarının yolunu açmaktadır.
Özet (Çeviri)
The need for low-power, wideband, fast, and nonvolatile logic, and memory devices paved the way for profound research in chiral and linear spin structures in thin films and 2D materials. For nonvolatile logic and memory, skyrmions are promising due to their nanoscale topological protection against external magnetic fields or thermal perturbations and their ability to be manipulated using spin-polarized current. In this thesis, we use micromagnetic models to computationally explore chiral and linear spin textures for their stability and efficient transfer as functions of intrinsic magnetic film parameters, geometries, and extrinsic driving conditions. We also grew yttrium iron garnet films and characterized their properties for magnetic insulator-based efficient spintronics. We first investigated spin waves in nanoscale magnon filters. Spin waves in magnonic crystals with width-modulated geometries transfer signals selectively, filter spectra, and have logic functionalities. We study the effects of Gilbert damping, uniaxial magnetic anisotropy, geometry, and excitation frequency on the temporal and spectral profiles of spin wave modes under external DC and RF magnetic fields. The transmission spectra showed that both spectral filtering and nonlinear frequency conversion can be achieved. Second, we developed numerical and analytical models of synthetic antiferromagnetically coupled (SAF) skyrmions in magnetic heterostructures. SAF skyrmions are promising because they might be driven with a lower current than their ferromagnetic counterparts and without the topological Hall effect, unlike ferromagnetic skyrmions. SAF skyrmions have been found to require 1-3 orders of magnitude lower current and experience no topological Hall effect compared with their ferromagnetic skyrmion counterparts, where these effects are detrimental. Current density reductions could lead up to 6 orders of magnitude lower power consumption and improvements in device reliability. We found that the intrinsic material properties (Ms, uniaxial anisotropy, and Dzyaloshinskii–Moriya interaction) determine SAF skyrmions' stability and equilibrium radii. We showed that eliminating the topological Hall effect in SAF skyrmions increases their velocity and stability against the external current drive, temperature, film polycrystallinity, and edge roughness. We modeled SAF skyrmion logic gates and compared their performance to ferromagnetic skyrmion logic. The higher velocity and lower switching times suggest that SAF skyrmion logic gates might enable efficient, fast, and in-memory logic applications. Third, we grew yttrium iron garnet (YIG) on gadolinium gallium garnet substrates in pulsed laser deposition (PLD) to investigate the role of growth conditions on the films' structural and magnetic properties. The PLD growth parameters such as growth temperature, target-substrate distance, laser pulse rate, and energy can greatly affect their epitaxial quality and crystallinity. Structural, magnetic, and optical characterization showed that YIG unit cells have compressive strain and slight iron deficiency. Lower-than-bulk Ms values of YIG films are attributed to the slight iron deficiency of the films. The optimization of the growth process is necessary to obtain YIG films with high epitaxial and magnetic quality. Our models and experiments pave the way for efficient, fast, non-volatile, and nanoscale spintronic device implementations to complement conventional microelectronics in the future.
Benzer Tezler
- Nanoelectronics and quantum transport of dirac particles
Dırac partiklerinin nanoelektronik ve kuantum taşınımı
SABER ROSTAMZADEH
- Kiral bir miselin aminoasitleri diskrimine etme yeteneğinin ve moleküler dinamik özelliklerinin NMR ile incelenmesi
Investigation of the discrimination ability and molecular dynamic properties of a chiral micelle aganist amino acids by NMR
DERYA FARİSOĞULLARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Fizik ve Fizik MühendisliğiDicle ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. GÜLTEN KAVAK
- Synthesis of new mesogens and investigation of their liquid crystalline properties
Yeni mezojenlerin sentezi ve sıvı kristal özelliklerinin incelenmesi
BURAK KORKMAZ
Doktora
İngilizce
2022
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
PROF. DR. YEŞİM GÜRSEL
- Prediction of carbon nanotube atomic coordinates based on machine learning algorithms
Karbon nanotüp atomik koordinatlarının makine öğrenmesi algoritmaları tabanlı tahmini
MEHMET ACI
Doktora
İngilizce
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolÇukurova ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUTLU AVCI
- Sıvı kristal sistemlerin mesomorfik, morfolojik ve elektro-optik özelliklerinin incelenmesi
The study of mesomorphic, morphologic and electro-optic properties of liquid crystal systems
NİMET YILMAZ CANLI
Doktora
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARİF NESRULLAZADE
PROF. DR. BELKIZ BİLGİN ERAN