Doctoral Thesis
Static and dynamic properties of nanostructured magnetic materials
Final Thesis 9.68 MB Summary of Thesis 2.75 MBAuthor of thesis: Ing. Marek Vaňatka, Ph.D.
Acad. year: 2020/2021
Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.
Reviewers: Dr. Sebastian Wintz, Prof. Sebastiaan van Dijken
Abstract:During the last years, magnetic materials and nanostructures have been intensively studied for their applications in recording media and logic circuits. This work follows our ongoing research in this field and mainly focuses on the static and dynamic properties of nanostructured materials, e.g., NiFe, CoFeB, and YIG. The thesis starts with a theoretical introduction showing the basic description of micromagnetic systems, ferromagnetic resonance (FMR), and spin-waves, including the mathematical description of spin-wave dispersion relations. This is followed by the description of experimental methods. Then we present the first experimental part concerning the nucleation process of magnetic vortices, i.e., the transition from the saturated state into the vortex spin configuration while decreasing the magnetic field. Magnetic imaging methods are used, namely Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission X-ray microscopy. The results are correlated with electrical detection using the anisotropic magnetoresistance effect. The advantage of electrical measurements is their potential integrability into the microprocessor circuitry. In the results, we report that this process in nanometer- and micrometer-sized magnetic disks undergoes several phases with distinct spin configurations called the nucleation states. Moreover, we introduce the analysis of magnetic materials using a vector network analyzer (VNA), which is applied to the measurement of magnetic vortex resonance (evaluation of the gyrotropic frequency and the high-frequency modes as well), the ferromagnetic resonance of thin layers (extraction of basic magnetic material parameters), and propagating spin-wave spectroscopy (PSWS). Spin-wave spectroscopy is further developed to measure the dispersion relations of thin magnetic layers, which can serve as an essential characteristic used in the design of devices. Finally, we show a concept of an antenna device, separating the magnetic excitation from the sample itself, providing no need for electron lithography processes of the antenna fabrication onto the sample. This device has the form of a glass cantilever, on which the excitation antenna is fabricated, a connector, and a coupler. It is then placed on a tilt equipped x-y-z stage, and therefore it provides positionability to any place on the measured sample. The use of glass as the cantilever material enables navigation using a microscope and enables the use of optical detection methods, e.g., Brillouin light scattering (BLS) or Kerr effect.
Magnetism, vortex, magnetoresistance, Lorentz microscopy, transmission electron microscope, X-ray microscopy, FMR, spin-wave, dispersion, VNA
Date of defence
22.04.2021
Result of the defence
Defended (thesis was successfully defended)
Process of defence
Disertační práce Ing. Vaňatky navazuje na jeho předchozí výzkum magnetických materiálů s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Výsledky práce jsou originální a relevantní pro vývoj magnetických pamětí, vlnových výpočetních zařízení a škálovatelných mikrovlnných komponentů. Disertační práce prezentuje širokou škálu experimentů a metod. Ing. Vaňatka tam úspěšně řeší klíčové problémy v oblasti nanomagnetismu. Jeho práce v oblasti charakterizace spinových vln je originální a rozsah dosažených výsledků je velice působivý. Výsledky jsou původní a byly publikovány v několika významných mezinárodních časopisech. V průběhu obhajoby Ing. Vaňatka přesvědčivě prokázal své tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu. Své výsledky prezentoval v angličtině a prezentaci si pečlivě připravil. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděl uspokojivě a prokázal výborné znalosti zkoumaného oboru.
Language of thesis
English
Faculty
Department
Study programme
Advanced Materials and Nanosciences (STIPMNK)
Field of study
Advanced nanotechnologies and microtechnologies (PNTMT)
Composition of Committee
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (místopředseda)
Dr. Sebastian Wintz (člen)
Prof. Sebastiaan van Dijken (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
Ing. Vojtěch Uhlíř, Ph.D. (člen)
Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.
File inserted by supervisor | Size |
---|---|
Posudek vedoucího práce [.pdf] | 56,72 kB |
Reviewer’s report
Dr. Sebastian Wintz
File inserted by the reviewer | Size |
---|---|
Posudek oponenta [.pdf] | 62,18 kB |
Reviewer’s report
Prof. Sebastiaan van Dijken
File inserted by the reviewer | Size |
---|---|
Posudek oponenta [.pdf] | 164,67 kB |
Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová