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Herstellung und Charakterisierung von Spin-Hall Effekt-basierten Nano-Mikrowellenoszillatoren

Fabrication and characterization of spin Hall microwave nano-oscillators

  • Die vorliegende Masterarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung spezieller Spin-Hall Nano-Oszillatoren. Zu Beginn werden die physikalischen Grundlagen zum Verständnis der Funktion dieser Oszillatoren dargestellt. Weiterhin wird die Brillouin-Lichtstreu- Mikroskopie vorgestellt, die zur optischen Erfassung der Magnetisierungspräzession eingesetzt wurde. Im Anschluss wird das Herstellungsverfahren dieser nanoskaligen GHz-Oszillatoren gezeigt. Der experimentelle Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung von Spin- Hall Nano-Oszillatoren mit lokalen, lateralen Verengungen, die zu einer erheblichen Stromdichteerhöhung führen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf den Abhängigkeiten der Oszillatorleistung, -frequenz und -linienbreite von der Stärke des Gleichstromes, der diesen Bauteilen kontinuierlich Energie zuführt. Durch ortsaufgelöste Messungen konnten die gefundenen Frequenzen den jeweiligen Oszillatororten, die den Bereichen mit hoher Stromdichte entsprechen, zugeordnet werden. Weiterhin wird gezeigt, dass bei hohen Leistungen der Effekt der Frequenzverdopplung auftritt. Der experimentelle Teil schließt mit der Vorstellung eines Experiments, bei dem der Versorgungsstrom eine Modulation erfährt und die Oszillationseigenschaften über einen bestimmten Frequenzbereich verschoben werden können.
  • The focus of this master thesis lies on the fabrication and characterization of specific spin- Hall nano-oscillators. First, the theoretical framework for the understanding of dynamic magnetic phenomena and the spin Hall effect are discussed. The following chapter is devoted to the experimental methods, in particular the instrumentation for Brillouin light scattering microscopy is introduced, which allows for the optical detection of the magnetization precession, followed by a detailed description of the fabrication process of nanoscale gigahertz oscillators using state-of-the-art electron beam lithography. The main part of the thesis is the presentation of the experimental results obtained from the characterization of the magnon spectrum in constriction-based spin-Hall nano-oscillators with locally enhanced current density. Key results are the oscillation power, frequency and linewidth as a function of the applied electric current, which is effectively compensating the intrinsic damping of the magnetization and, therefore, causing auto-oscillations of the magnetization. The spatial intensity distributions of these autooscillations were mapped with Brillouin light scattering microscopy, which also revealed higher harmonic generation in sample regions of high current density and auto-oscillation amplitude. The chapter with the experimental results concludes with the characterization of the frequency range, in which these auto-oscillators can be locked to an externally applied microwave current, superimposed to the electric current driving the magnetization precession. The thesis concludes with a summary and an outlook on future experiments based on spin-Hall effect based autooscillators and their technical applications.

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Metadaten
Author:Toni Hache
Advisor:Wieland Zahn, Helmut Schultheiß
Document Type:Master's Thesis
Language:German
Name:Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstraße 400, 01328 Dresden
Date of Publication (online):2018/02/22
Year of first Publication:2017
Publishing Institution:Westsächsische Hochschule Zwickau
Date of final exam:2017/02/09
Tag:Nano-Oszillator; Spin-Hall
GND Keyword:Nanotechnologie; Magnetismus; Mikrowelle; Oszillator
Page Number:96 Seiten, 36 Abb., 4 Tab., 71 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2018/02/22