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Spettroscopia di risonanza ferromagnetica (FMR)

PhaseFMR di NanOsc

Il PhaseFMR di Nanosc misura la risonanza ferromagnetica di film sottili magnetici e ne deriva le proprietà fondamentali. Lo strumento, facile da usare e plug-and-play, è provvisto di tutto lo hardware necessario per la generazione dei segnali di eccitazione e per la rivelazione così come del software per l’analisi dati. Quantum Design lo offre come opzione di misura integrabile su sistemi di magnetizzazione esistenti oppure come sistema stand alone insieme a magnete o crio-magnete e relativi controlli.

Caratteristiche

Intervalli di frequenze: 2-17 GHz o 2-40 GHz
Misura film ultra sottili fino a 2 nm
Nessuno strumento esterno per la generazione o rivelazione delle microonde necessario
Interfaccia Labview

Maggiori informazioni

La risonanza ferromagnetica (FMR) di un film sottile è una proprietà fondamentale nelle applicazioni di spintronica e ove si applichino alte frequenze come nelle teste di lettura di hard-drive, MRAM e STT-MRAM. Gli spettrometri PhaseFMR di NanOsc misurano la risonanza ferromagnetica in funzione del campo magnetico applicato e, attraverso il proprio software di analisi calcolano:

Magnetizzazione di saturazione (Ms)
Smorzamento intrinseco (α)
Allargamento di banda disomogeneo (ΔH)
Rapporto giromagnetico (γ/2π)
Anisotropie
Bias di scambio
Rilassamento di spin

Nei dispositivi magnetici nanostrutturati particolare importanza rivestono gli ordini più alti dei modi delle onde di spin, la cui comprensione è cruciale per la loro affidabilità e operabilità: lo spettrometro PhaseFMR misura la posizione e la dipendenza temporale di tali modi.

La tecnica utilizzata dal PhaseFMR è basata sulle guida d’onda complanari (CPW-FMR), tecnica che sfrutta l’accoppiamento tra il segnale RF che viaggia nella CPW e la magnetizzazione del campione posizionatovi sopra. Quando un campione ferromagnetico è immerso in un campo magnetico uniforme (H_DC), la sua magnetizzazione si allinea lungo la direzione di tale campo esterno. In queste condizioni è possibile dar vita a moti di precessione della magnetizzazione accendendo un ulteriore campo magnetico RF piccolo con un certo angolo rispetto al primo. Poiché la frequenza di risonanza f_FMR della magnetizzazione dipende dal campo locale, variando il campo esterno DC e mantenendo costante la frequenza fRF si otterrà uno spettro di assorbimento corrispondente alla risposta FMR a questa particolare frequenza del campo RF.

Inoltre, facendo riferimento alla formula di Kittel per film sottili con magnetizzazione nel piano e anisotropia trascurabile:

Kittel formula

si può vedere che con questa geometria è possibile estrarre la magnetizzazione di saturazione Ms o il rapporto giromagnetico γ. Infine, la misura della larghezza di picco può essere usata per calcolare parametri della dinamica dell’eccitazione di spin come lo smorzamento intrinseco α e l’allargamento di banda disomogeneo ΔH_o.

Applicazioni

Film sottili fino a 2 nm

Lo spettrometro PhaseFMR ha un eccellente SNR e permette la misurazione della FMR di film ultra-sottili. Per esempio film di CoFeB con spessori fino a 2 nm possono essere caratterizzati senza problemi. La misurazione mostrata sotto si riferisce a film sottil di 2 nm in NiFe.

CryoFMR

Il PhaseFMR è già stato integrato in diversi criostati, in particolare nella famiglia dei PPMS della Quantum Design, compresi PPMS, DynaCool e VersaLab. Per la Cryostation s50 di Montana Instruments con opzione magnete, l'utente è in grado di combinare da solo il PhaseFMR con il criostato. Le versioni a bassa temperatura del PhaseFMR sono chiamate CryoFMR. Per l'integrazione con i criostati QD, è stata sviluppata una sonda multifunzione modificata dedicata con bobine di Helmholtz. NanOsc Instrument fornisce due CPW per l'analisi di film sottili con campi magnetici in piano e fuori piano insieme alla completa integrazione nei criostati della famiglia PPMS.