|
|
Spin vortex states in magnetostaticaly coupled magnetic nanodisks
Vaňatka, Marek ; Hrabec, Aleš (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetic vortices in ferromagnetic disks are curling magnetization structures characterized by the sense of the spin circulation in the plane of the disk and by the direction of the magnetization in the vortex core. Concepts of memory devices using the magnetic vortices as multibit memory cells have been presented, which brought the high demand for their research in many physical aspects. This work investigates the magnetostatic coupling in pairs of ferromagnetic disks to clarify the influence of nearby disks or other magnetic structures to the vortex nucleation mechanism. To ensure that the vortex nucleation is influenced only by the neighbouring magnetic structures, the randomness of the nucleation process was studied in single disks prior to the work on pairs of disks. We had to ensure that the vortex nucleation is influenced only by the neighbouring magnetic structures and not by an unwanted geometrical asymmetry in the studied disk. Lithographic capabilities were inspected in order to achieve the best possible geometry. Further we present a concept of electrical readout of the spin circulation using the anisotropic magnetoresistance, which allows automated measurements to provide sufficient statistics. To explain the magnetoresistance behaviour, numerical calculations together with magnetic force microscopy measurements are presented.
|
|
|
Utilization of artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space
Váňa, Dominik ; Beneš, Petr (referee) ; Havránek, Zdeněk (advisor)
This master's thesis focuses on the utilization of an artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space. The theoretical part of this work deals with the general properties of the magnetic field and with its description. The next section of the theoretical part contains an overview of measuring principles for magnetic field measurements. Based on various types of measuring principles, the thesis elaborates on commercially available miniature sensors for magnetic field measurement with a measuring range up to 10 mT. The work focuses mainly on the magnetoresistive principle and fluxgate sensors. Furthermore, the theoretical part contains descriptions of methods for modeling the magnetic field of simple permanent magnets and various magnet assemblies. Lastly, the theoretical part involves a patent search of devices used for locating magnets that are installed in an intramedullary nail, which is used in intramedullary stabilization used on fractures of human bones. By locating the magnet in the nail, it is possible to precisely determine the position of the mounting holes. The practical part of the thesis deals with the analysis of magnetic field behavior in the vicinity of various magnetic assemblies, which were modeled in COMSOL Multiphysics using the finite element method. The models were created with the aim of analysing the behaviour of the magnetic field in the vicinity of the magnets and at the same time to find possible analytical functions that could be used to determine the position of the magnet in space relative to the probe. The result of this work is an analysis of various assemblies, which contains graphs of different dependencies and prescription of polynomial functions that approximate these dependencies. Another part of the thesis is the design of a probe that serves to locate the magnetic target. The work describes two possible methods of localization. For the differential method, a user interface in LabVIEW was created. The probe based on this method is fully capable of locating the magnet in the 2D plane. The state space search method is described only in theory.
|
|
|
Static and dynamic properties of nanostructured magnetic materials
Vaňatka, Marek ; Wintz, Sebastian (referee) ; Dijken, Sebastiaan van (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetické materiály a z nich vyrobené nanostruktury jsou v průběhu posledních let studovány pro jejich aplikace v např. záznamových médiích a logických obvodech. Tato práce navazuje na náš předchozí výzkum tohoto oboru s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Práce začíná teoretickým úvodem s popisem mikromagnetických systémů, dynamiky magnetických vortexů, feromagnetické rezonance (FMR) a spinových vln včetně jejich disperzních vlastností. Následuje popis použitých experimentálních metod a první experimentální část zabývající se nukleačním procesem magnetického vortexu, jinými slovy procesem transformace ze saturovaného stavu do spinové konfigurace magnetického vortexu v průběhu snižování magnetického pole. Jsou použity mikroskopické metody zobrazující magnetickou strukturu materiálu, jmenovitě Lorentzova transmisní elektronová mikroskopie a rentgenová transmisní mikroskopie. Výsledky jsou poté korelovány s měřením elektrické odezvy pomocí jevu anizotropní magnetorezistence. Výhodou elektrických měření je, že plně elektrická detekce dovoluje použití tohoto systému v uzavřených systémech integrovaných obvodů. Výsledky oblasti nukleací magnetických vortexů ukazují, že při tomto procesu prochází magnetizace v nano- a mikrometrových magnetických discích několika fázemi s růsnými typy spinových konfigurací nazvaných nukleační stavy. Dále je představeno měření magnetických materiálů pomocí vektorového síťového analyzátoru (VNA), což je aplikováno na měření resonance magnetických vortexů (určení gyrotropické frekvence a měření vysokofrekvenčních módů), feromagnetické rezonance tenkých vrstev (získání základních magnetických materiálových parametrů) a spektroskopii spinových vln. Právě spektroskopie spinových vlna je rozvinuta za účelem měření disperzních relací tenkých magnetických vrstev, což je základní charakteristika, jejíž znalost je důležitá v návrhu aplikací. Nakonec je představeno anténní zařízení, díky kterému lze oddělit magnetické buzení od vzorku samotného bez nutnosti absolvovat proces elektronové litorafie, což je zapotřebí v klasickém přístupu antény na vzorku a kontaktování vysokofrekvenční sondou. Toto zařízení se skládá ze skleněného kantilívru, na kterém je vyrobena budící anténa, konektoru a spojovacího prvku v podobě plošného spoje. Celé zařízení je díky umístění na x-y-z stolek s náklonem pozicovatelné a lze tedy měřit v jakémkoliv místě vzorku. Umístění antény na sklo umožňuje navigaci pomocí mikroskopu a optické měření, např. metodou Brillouinova světelného rozptylu (BLS) nebo Kerrova jevu.
|
|
|
Magnetic vortex based memory device
Dhankhar, Meena ; Hrabec,, Aleš (referee) ; Veis,, Martin (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetické vortexy jsou charakterizovány směrem stáčení magnetizace a polarizací vortexového jádra, přičemž každá z těchto veličin nabývá dvojice stavů. Ve výsledku jsou tak k dispozici čtyři možné stabilní konfigurace, čehož může být využito v multibitových paměťových zařízeních. Tato dizertační práce se zabývá selektivním zápisem stavů magnetického vortexu v magnetickém disku pulzem elektrického proudu stejně jako jejich následným elektrickým čtením. Před samotnou realizací elektrických měření byla provedena statická měření přepínání stavů vortexu pomocí různých proudových pulzů v kombinaci s technikami MFM a následně MTXM. Následně byl realizován dynamický odečet stavu vortexu kompletně založený na elektrických měřeních. Ovládání cirkulace vortexu je založeno na geometrické asymetrii vytvořené oříznutím magnetického disku a vytvořením fazety. Plochý okraj disku definuje preferenční smysl stáčení cirkulace během procesu nukleace vortexu. Řízení polarity se obvykle provádí ve dvou krocích. V prvním kroku, homogenně magnetizovaná vrstva s kolmou magnetickou anizotropií umístěná na dně disku definuje výchozí polaritu vortexu v době nukleace. V druhém kroku, je-li to nutné, je polarita vortexu přepnuta pomocí rychlého proudového pulzu. Proto je možné nastavit požadovaný stav cirkulace vysláním nanosekundového pulsu s nízkou amplitudou, následované nastavením polarity pikosekundovým pulsem s vysokou amplitudou. Stavy vortexů jsou pak detekovány elektrickou spektroskopií prostřednictvím anizotropní magnetorezistence. Vzorky pro všechna statická a dynamická měření byly připraveny pomocí elektronové litografie v kombinaci s lift-off procesem.
|
|
|
Magnetic multilayers for spintronics applications
Vaňatka, Marek ; Dvořák, Petr (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetic multilayers have applications as magnetic field sensors or magnetic memory cells. Mastering the methods of fabrication and characterization of the structures such as spin valve or magnetic tunnel junction is an important step towards more complicated spintronics devices. This work summarizes basic theory of magnetism, magnetotransport properties, and it describes basic applications of magnetic multilayers. The experimental part of this work deals with the sample preparation by ion beam sputtering (IBS), ion beam assisted deposition (IBAD), and characterization of prepared multilayers by measuring anisotropic magnetoresistance (AMR), giant magnetoresistance (GMR), or tunnel magnetoresistance (TMR).
|
|
|
Magnetic vortex based memory device
Dhankhar, Meena ; Hrabec,, Aleš (referee) ; Veis,, Martin (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetické vortexy jsou charakterizovány směrem stáčení magnetizace a polarizací vortexového jádra, přičemž každá z těchto veličin nabývá dvojice stavů. Ve výsledku jsou tak k dispozici čtyři možné stabilní konfigurace, čehož může být využito v multibitových paměťových zařízeních. Tato dizertační práce se zabývá selektivním zápisem stavů magnetického vortexu v magnetickém disku pulzem elektrického proudu stejně jako jejich následným elektrickým čtením. Před samotnou realizací elektrických měření byla provedena statická měření přepínání stavů vortexu pomocí různých proudových pulzů v kombinaci s technikami MFM a následně MTXM. Následně byl realizován dynamický odečet stavu vortexu kompletně založený na elektrických měřeních. Ovládání cirkulace vortexu je založeno na geometrické asymetrii vytvořené oříznutím magnetického disku a vytvořením fazety. Plochý okraj disku definuje preferenční smysl stáčení cirkulace během procesu nukleace vortexu. Řízení polarity se obvykle provádí ve dvou krocích. V prvním kroku, homogenně magnetizovaná vrstva s kolmou magnetickou anizotropií umístěná na dně disku definuje výchozí polaritu vortexu v době nukleace. V druhém kroku, je-li to nutné, je polarita vortexu přepnuta pomocí rychlého proudového pulzu. Proto je možné nastavit požadovaný stav cirkulace vysláním nanosekundového pulsu s nízkou amplitudou, následované nastavením polarity pikosekundovým pulsem s vysokou amplitudou. Stavy vortexů jsou pak detekovány elektrickou spektroskopií prostřednictvím anizotropní magnetorezistence. Vzorky pro všechna statická a dynamická měření byly připraveny pomocí elektronové litografie v kombinaci s lift-off procesem.
|
|
|
Static and dynamic properties of nanostructured magnetic materials
Vaňatka, Marek ; Wintz, Sebastian (referee) ; Dijken, Sebastiaan van (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetické materiály a z nich vyrobené nanostruktury jsou v průběhu posledních let studovány pro jejich aplikace v např. záznamových médiích a logických obvodech. Tato práce navazuje na náš předchozí výzkum tohoto oboru s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Práce začíná teoretickým úvodem s popisem mikromagnetických systémů, dynamiky magnetických vortexů, feromagnetické rezonance (FMR) a spinových vln včetně jejich disperzních vlastností. Následuje popis použitých experimentálních metod a první experimentální část zabývající se nukleačním procesem magnetického vortexu, jinými slovy procesem transformace ze saturovaného stavu do spinové konfigurace magnetického vortexu v průběhu snižování magnetického pole. Jsou použity mikroskopické metody zobrazující magnetickou strukturu materiálu, jmenovitě Lorentzova transmisní elektronová mikroskopie a rentgenová transmisní mikroskopie. Výsledky jsou poté korelovány s měřením elektrické odezvy pomocí jevu anizotropní magnetorezistence. Výhodou elektrických měření je, že plně elektrická detekce dovoluje použití tohoto systému v uzavřených systémech integrovaných obvodů. Výsledky oblasti nukleací magnetických vortexů ukazují, že při tomto procesu prochází magnetizace v nano- a mikrometrových magnetických discích několika fázemi s růsnými typy spinových konfigurací nazvaných nukleační stavy. Dále je představeno měření magnetických materiálů pomocí vektorového síťového analyzátoru (VNA), což je aplikováno na měření resonance magnetických vortexů (určení gyrotropické frekvence a měření vysokofrekvenčních módů), feromagnetické rezonance tenkých vrstev (získání základních magnetických materiálových parametrů) a spektroskopii spinových vln. Právě spektroskopie spinových vlna je rozvinuta za účelem měření disperzních relací tenkých magnetických vrstev, což je základní charakteristika, jejíž znalost je důležitá v návrhu aplikací. Nakonec je představeno anténní zařízení, díky kterému lze oddělit magnetické buzení od vzorku samotného bez nutnosti absolvovat proces elektronové litorafie, což je zapotřebí v klasickém přístupu antény na vzorku a kontaktování vysokofrekvenční sondou. Toto zařízení se skládá ze skleněného kantilívru, na kterém je vyrobena budící anténa, konektoru a spojovacího prvku v podobě plošného spoje. Celé zařízení je díky umístění na x-y-z stolek s náklonem pozicovatelné a lze tedy měřit v jakémkoliv místě vzorku. Umístění antény na sklo umožňuje navigaci pomocí mikroskopu a optické měření, např. metodou Brillouinova světelného rozptylu (BLS) nebo Kerrova jevu.
|
|
|
Thermo-transport effects in antiferromagnets
Baďura, Antonín ; Schmoranzerová, Eva (advisor) ; Martins Godinho, João Pedro (referee)
This thesis investigates magnetic properties of an antiferromagnet Mn5Si3 in both collinear and noncollinear antiferromagnetic phases, which this compound evinces. The work is based on three distinct experimental approaches: The first one comprises mea- surements of magnetotransport phenomena (namely anisotropic magnetoresistance and Hall effects), the second one studies thermal counterparts of these effects (particularly the anomalous Nernst effect). Finally, we used scanning thermal gradient microscopy in order to observe the domain structure of Mn5Si3. The key outcome of the magnetotransport measurements is an observation of the Hall response in the collinear antiferromagnetic phase, which we attribute to the recently proposed crystal Hall effect. Furthermore, the thermotransport measurements resulted in the first observation of the anomalous Nernst effect in this compound. Due to the variety of artefacts, we did not record any convincing image of the domain structure in Mn5Si3. The analysis of the artefacts was supported by mathematical modelling that helped to pinpoint their origin.
|
|
|
Utilization of artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space
Váňa, Dominik ; Beneš, Petr (referee) ; Havránek, Zdeněk (advisor)
This master's thesis focuses on the utilization of an artificially created weak magnetic field for navigation in 3D space. The theoretical part of this work deals with the general properties of the magnetic field and with its description. The next section of the theoretical part contains an overview of measuring principles for magnetic field measurements. Based on various types of measuring principles, the thesis elaborates on commercially available miniature sensors for magnetic field measurement with a measuring range up to 10 mT. The work focuses mainly on the magnetoresistive principle and fluxgate sensors. Furthermore, the theoretical part contains descriptions of methods for modeling the magnetic field of simple permanent magnets and various magnet assemblies. Lastly, the theoretical part involves a patent search of devices used for locating magnets that are installed in an intramedullary nail, which is used in intramedullary stabilization used on fractures of human bones. By locating the magnet in the nail, it is possible to precisely determine the position of the mounting holes. The practical part of the thesis deals with the analysis of magnetic field behavior in the vicinity of various magnetic assemblies, which were modeled in COMSOL Multiphysics using the finite element method. The models were created with the aim of analysing the behaviour of the magnetic field in the vicinity of the magnets and at the same time to find possible analytical functions that could be used to determine the position of the magnet in space relative to the probe. The result of this work is an analysis of various assemblies, which contains graphs of different dependencies and prescription of polynomial functions that approximate these dependencies. Another part of the thesis is the design of a probe that serves to locate the magnetic target. The work describes two possible methods of localization. For the differential method, a user interface in LabVIEW was created. The probe based on this method is fully capable of locating the magnet in the 2D plane. The state space search method is described only in theory.
|
|
|
Spin vortex states in magnetostaticaly coupled magnetic nanodisks
Vaňatka, Marek ; Hrabec, Aleš (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetic vortices in ferromagnetic disks are curling magnetization structures characterized by the sense of the spin circulation in the plane of the disk and by the direction of the magnetization in the vortex core. Concepts of memory devices using the magnetic vortices as multibit memory cells have been presented, which brought the high demand for their research in many physical aspects. This work investigates the magnetostatic coupling in pairs of ferromagnetic disks to clarify the influence of nearby disks or other magnetic structures to the vortex nucleation mechanism. To ensure that the vortex nucleation is influenced only by the neighbouring magnetic structures, the randomness of the nucleation process was studied in single disks prior to the work on pairs of disks. We had to ensure that the vortex nucleation is influenced only by the neighbouring magnetic structures and not by an unwanted geometrical asymmetry in the studied disk. Lithographic capabilities were inspected in order to achieve the best possible geometry. Further we present a concept of electrical readout of the spin circulation using the anisotropic magnetoresistance, which allows automated measurements to provide sufficient statistics. To explain the magnetoresistance behaviour, numerical calculations together with magnetic force microscopy measurements are presented.
|
guest ::
