Einführung in die Breitband-FMR-Spektroskopie

Magnetische Dünnfilme bilden nicht nur das Rückgrat der grundlegenden Spintronik- und der Magnonik-Forschung, sondern sind auch Be­stand­teile aktueller und zukünftiger Technologien, die sich auf magnetische Speicher, Sensoren, Logikbauteile und Mikrowellensignalverarbeitung kon­zentrieren. Magnetische dünne Filme werden üblicherweise mit quasi-statischen Techniken, wie z.B. Ma­gne­tisierungs-Hystereseschleifen­ana­ly­se mittels vibrierender Proben­ma­gneto­meter, charakterisiert. Die Mi­kro­wellenmagnetisierungsdynamik von Dünn­filmen ermöglicht die Be­stim­mung zusätzlicher Material­para­meter, einschließlich des gyro­magnetischen Verhältnisses (γ), der Dämpfung (α), der inhomoge­nen Verbreiterung (ΔHo), der Aus­tausch­steifigkeit (A), etc., die nicht durch statische Mess­techniken zugäng­­lich sind.

Die ferromagnetische Resonanz- Spek­troskopie (FMR) wird bereits seit den späten 1950er Jahren mit Hilfe von Mikrowellenhohlräumen vorzugsweise bei Massenproben durch­­geführt. Jedoch werden solche Mikro­wellenhohlräume oft nur auf eine einzige Resonanzfrequenz abge­stimmt. Im Laufe des letzten Jahr­zehnts hat das Aufkommen der Breit­band-FMR-Spektroskopie [1] unter Verwendung von Streifen- oder K­o­pla­nar-Wellenleitern Messungen ermöglicht, die kontinuierlich mehrere 10 GHz umfassen. Solche Breit­band­messungen ermöglichen signifikante Verbesserungen bei der genauen Extraktion der bereits genannten Materialparameter. Insbesondere sind Breitbandmessungen erforderlich, um die Frequenzabhängigkeit der Resonanzlinienbreite zu analysieren und zwischen intrinsischen und ex­trin­sischen Beiträgen zur magnetischen Dämpfung zu unterscheiden.

Quantum Design hat einen Anwen­dungs­bericht zu diesem Thema veröffentlicht, in dem zunächst die theoretischen und praktischen Grundlagen beschrieben werden, um dann ausführlich auf die zu messenden und zu bestimmenden Größen einzugehen. Im Rahmen der nächsten Ausgaben des Spectrums werden wir diese verschiedenen Punkte behandeln. Wer darauf nicht warten möchte, kann sich gerne bei uns melden, um bereits jetzt den kompletten Applikationsbericht zu erhalten.

[1] I. Maksymov and M. Kostylev, “Broadband stripline ferromagnetic resonance spectroscopy of ferromagnetic films, multilayers and nanostructures”, Physica E 69, 253 (2015).

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