Εναπόθεση και χαρακτηρισμός συνθετικών αντισιδηρομαγνητικών υμενίων με σπασμένη συμμετρία

Abstract

Recent years have seen a rapid growth in data storage and processing technology in terms of storage density and access speed that often exceeds the prediction of the so-called "Moore's Law", according to which the number of processors on a chip doubles every two years. Of course, this cannot go on indefinitely as we eventually approach fundamental limitations of the physical principles of each technology. Thus, new technological solutions and alternative ways of recording, accessing and processing information are always sought. In recent years in the research field of antiferromagnetic materials there is a strong tendency to study and optimize through nanostructures the properties of magnetic information storage. More important applications, in read heads and sensors in general, have found magnetoresistance effects in magnetic artificial superstructures. The current technology, based on composite materials consisting of artificial layered superstructures, (such as spin valves, recording media, spin torque oscillators, and recently topologically protected magnetic structures) which have been instrumental in rapidly increasing the density of data storage on magnetic media. The enormous commercial success of the spin valve has triggered an effort to develop new advanced magnetoelectric devices which will be based on the manipulation of the spin of electrical carriers and should involve magnetic materials in which the conduction carriers have a specific spin. This PhD thesis was based on a cycle of synthesis - characterization - magnetic property structure coupling and prediction / fabrication of new optimized multilayer devices that allow magnetic state manipulation and sensing at short access times and fields while maintaining thermal stability. The aim of this research was to investigate the possibility of selective excitation of resonances with optical and acoustic modes character in synthetic antiferromagnets and more generally to study the effect of antiferromagnetic interactions, anisotropy, and DMI-induced chirality on the dynamic response, the propagation of spin waves and the possibility of selective resonance of the layers. The study of the damping constants shows the presence of spin-pumping mechanisms. The characterization of the materials as a whole was carried out using a variety of techniques such as VSM, XRR, FMR, and MFM, in order to realize the best possible knowledge of the properties and characteristics of each material.

Τα τελευταία χρόνια έχει σημειωθεί μια αλματώδης ανάπτυξη στην τεχνολογία αποθήκευσης και επεξεργασίας δεδομένων ως προς την πυκνότητα αποθήκευσης και την ταχύτητα πρόσβασης που πολλές φορές ξεπερνάει την πρόβλεψη του λεγόμενου «νόμου του Moore», σύμφωνα με το οποίο ο αριθμός των επεξεργαστών σε ένα chip διπλασιάζεται κάθε δύο χρόνια. Βέβαια αυτό δεν μπορεί να συνεχιστεί επ’ άπειρον εφόσον τελικά προσεγγίζουμε σε θεμελιώδεις περιορισμούς των φυσικών αρχών της κάθε τεχνολογίας. Έτσι πάντα αναζητούνται νέες τεχνολογικά ρηξικέλευθες λύσεις και εναλλακτικοί τρόποι εγγραφής, πρόσβασης αλλά και επεξεργασίας της πληροφορίας. Τα τελευταία χρόνια στο ερευνητικό πεδίο των αντισιδηρομαγνητικών υλικών παρατηρείται έντονη τάση για μελέτη προς βελτιστοποίηση μέσω νανοδομών των ιδιοτήτων της μαγνητικής αποθήκευσης πληροφορίας. Πιο σημαντική εφαρμογή, σε κεφαλές ανάγνωσης και αισθητήρες γενικότερα, έχουν βρει τα φαινόμενα μαγνητοαντίστασης σε μαγνητικές τεχνητές υπερδομές. Η σημερινή τεχνολογία, βασίζεται σε σύνθετα υλικά αποτελούμενα από τεχνητές στρωματικές υπερδομές, (όπως βαλβίδες σπιν, μέσα εγγραφής, ταλαντωτές ροπής στρέψης σπιν, και πρόσφατα τοπολογικά προστατευμένες μαγνητικές δομές) τα οποία έχουν συμβάλει καθοριστικά στην ραγδαία αύξηση της πυκνότητας αποθήκευσης δεδομένων σε μαγνητικά μέσα. Η τεράστια εμπορική επιτυχία της βαλβίδας σπιν έδωσε το έναυσμα για την προσπάθεια ανάπτυξης νέων προηγμένων μαγνητοηλεκτρονικών διατάξεων οι οποίες θα βασίζονται στον χειρισμό του σπιν των ηλεκτρικών φορέων και θα πρέπει να περιλαμβάνουν μαγνητικά υλικά στα οποία οι φορείς αγωγιμότητας έχουν συγκεκριμένο σπιν. Η παρούσα διδακτορική διατριβή βασίστηκε σε ένα κύκλο σύνθεσης – χαρακτηρισμού – σύνδεσης δομής μαγνητικών ιδιοτήτων και πρόβλεψης /παρασκευής νέων βελτιστοποιημένων πολυστρωματικών διατάξεων που επιτρέπουν το χειρισμό και την ανίχνευση της μαγνητικής κατάστασης σε μικρούς χρόνους πρόσβασης και πεδία με ταυτόχρονη διατήρηση της θερμικής σταθερότητας. Ο σκοπός της συγκεκριμένης έρευνας ήταν η δυνατότητα επιλεκτικής διέγερσης συντονισμών με χαρακτήρα οπτικού και ακουστικού κλάδου σε συνθετικούς αντισιδηρομαγνήτες και γενικότερα η μελέτη της επίδρασης των αντισιδηρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων, της ανισοτροπίας, και της επαγόμενης από την DMI χειρομορφίας (chirality) στη δυναμική απόκριση, τη διάδοση των κυμάτων σπιν και τη δυνατότητα επιλεκτικού συντονισμού των στρωμάτων. Η μελέτη της σταθεράς σταθεράς απόσβεσης καταδεικνύει την παρουσία μηχανισμών άντλησης σπιν. Ο χαρακτηρισμός των υλικών συνολικά έγινε με πληθώρα τεχνικών όπως VSM, XRR, FMR, και MFM, έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί μια όσο το δυνατόν καλύτερη γνώση των ιδιοτήτων και χαρακτηριστικών του κάθε υλικού.