Toward strain modulation of spin Hall nano-oscillators
No Thumbnail Available
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2024-07-24
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
37
Series
Abstract
Spin Hall nano-oscillators (SHNOs) represent an innovative class of spintronic devices that leverage the spin Hall effect (SHE) in order to generate and manipulate microwave signals at the nanoscale. A fundamental aspect of SHNOs are auto-oscillations, which appear in SHNOs whenever direct current exceeding the threshold is appropriately applied to the non-magnetic layer of the SHNO. Due to their compact size and intrinsic nonlinearity, SHNOs show significant promise in various applications such as magnetic memory and logic devices, magnetic field sensing. This thesis studies the effects of periodic strain on magnetization dynamics. Namely, the effect of strain on constriction based SHNOs realized with Pt/CoFeB, Pt/Py bilayers and CoFeB/Pt/Py trilayers on a Si/SiO2 substrate or silicon nitride (Si3N4) membrane. The ultimate goal is to establish a method for modulating SHNOs using mechanical strain, which could be utilized in applications involving spintronic nano-electromechanical systems (NEMS). More specifically, this thesis deals with the fabrication of samples and implementation of techniques involved in achieving modulation of magnetization dynamics for SHNOs in the auto-oscillatory regime via the magnetostrictive effect. Strain is achieved by fabricating the SHNO onto a flexible SiN membrane, in which out-of-plane (OOP) oscillations are excited using a piezoelectric transducer. For the purpose of measuring mechanical oscillations, an actively stabilized homodyne Michelson interferometer system is realized, allowing for precise measurements of the amplitudes and eigenfrequencies of the SiN membrane's vibrational OOP eigenmodes, when the interference signal is read with a spectrum analyzer. In order to maximize the signal and to stabilize the phase-relation with the excitation, the interferometer is actively stabilized using a PID-controller. Readout of magnetization dynamics is performed by electron transport methods relying on the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect. Although not all of the original project goals were ultimately accomplished, a clear path toward strain modulation of magnetization dynamics of SHNOs is established in this thesis.Spin Hall nano-oskillaattorit (SHNO:t) edustavat innovatiivista spintronisten laitteiden luokkaa, johon kuuluvat laitteet hyödyntävät spin Hall -ilmiötä mikroaaltosignaalien tuottamista ja käsittelemistä varten nanomittakaavassa. Eräs olennainen osa SHNO:iden toimintaa on automaattinen oskillointi (engl. auto-oscillation), jota ilmenee SHNO:iden magnetisaatiodynamiikassa kun riittävästi DC-virtaa syötetään sopivalla tavalla SHNO:n epämagneettiseen kerrokseen. Pienen kokonsa ja luontaisen epälineaarisuudensa ansiosta SHNO:t vaikuttavat erittäin lupaavilta erilaisissa sovelluksissa, kuten magneettisessa muistissa ja logiikkalaitteissa, neuromorfisessa laskennassa sekä magneettikenttien havaitsemisessa. Tämä kandidaatintyö tutkii jaksollisen rasituksen vaikutusta magnetisaatiodynamiikkaan ja rasituksen vaikutusta nimenomaan konstriktiopohjaisiin SHNO:ihin, jotka ovat toteutettu Pt/CoFeB, Pt/Py ja CoFeB/Pt/Py kerroksilla joko Si/SiO2 substraatin tai piinitridi (Si3N4) kalvon päälle. Tämän työn lopullinen päämäärä on perustaa menetelmä, joka sallii SHNO:iden magnetisaatiodynamiikan moduloinnin mekaanisen rasituksen kautta, millä voi olla käyttötarkoituksia muun muassa nanoelektromekaanisiin spintroniikkalaitteisiin liittyvissä sovelluksissa. Tarkemmin ottaen tämä kandidaatintyö käsittelee SHNO -näytteiden valmistusprosessia ja toteutusta menetelmille, jotka liittyvät SHNO:iden magnetisaatiodynamiikan modulointiin automaattisen oskilloinnin regiimissä. Työssä mekaanista rasitusta kohdistetaan SHNO:hon valmistamalla se taipuisan Si3N4 kalvon päälle, missä kalvon tasoa kohtisuoraa värähtelyä viritetään pietsosähköisellä muuntimella. Mekaanisen värähtelyn mittaamista varten työssä toteutettiin aktiivisesti stabiloitu homodyne Michelson interferometri, joka sallii Si3N4 kalvon värähtelytilojen amplitudien ja ominaistaajuuksien tarkan mittaamisen kun interferometrin signaalia luetaan spektrianalysaattorilla. Interferenssisignaalin maksimoimista varten interferometrin aktiivinen stabilointi toteutettiin PID-säädintä hyödyntäen. Magnetisaatiodynamiikan mittaaminen toteutui elektronien siirtoon perustuvilla menetelmillä, jotka pohjautuvat anisotrooppiseen magnetoresistanssiin. Vaikka jokaista projektin alkuperäistä päämäärää ei työn aikana saavutettu, tämä kandidaatintyö perustaa selkeän polun SHNO:iden magnetisaatiodynamiikan modulointiin. Tässä työssä havaittiin magnetisaatiodynamiikkaa mittaamalla ferromagneettista resonanssia sekä magneto-optisen Kerr -ilmiön kautta, että elektronien siirtoon pohjautuvalla menetelmällä. Piinitridikalvon värähtelytiloja myös mitattiin ja todettiin näiden vastaavan simulaatioon perustuvia tuloksia.Description
Supervisor
Martikainen, Jani-PetriThesis advisor
Flajšman, LukášKeywords
spintroniikka, spin Hall nano-oskillaattorit, rasitusmodulaatio, inteferometria
