Dynamisches Verhalten von Magneto-Kopplern und ferromagnetischen Nano-Schichten

Diese Arbeit hatte zum Ziel, das dynamische Verhalten von Magneto-Kopplern zu untersuchen sowie die Magnetisierungsdynamik ferromagnetischer Nano-Schichten, die die wesentliche Komponente für die Funktion dieses Bauelements darstellen. Insbesondere interessierten die Übertragungseigenschaften und die maximale Bandbreite verschiedener Koppler-Typen: Ausgehend von kommerziell erhältlichen Kopplern, deren Bandbreite auf etwa 100 MHz begrenzt ist, konnte an Magneto-Koppler-Prototypen der Firma Siemens AG, Erlangen eine Bandbreite von 875 MHz nachgewiesen werden. Durch Anlegen eines externen Magnetfelds konnte zudem eine nahezu lineare Signalübertragung realisiert werden. Die Induktivität der stromführenden Mikro-Spule wurde als Ursache für die Bandbreiten-Begrenzung identifiziert. An einem an 50 Ohm angepassten Magneto-Koppler, der koplanare Wellenleiter zur Signalführung verwendet, konnte schließlich eine Bandbreite von 1,2 GHz auch ohne weitere externe Magnetfelder realisiert werden. In diesem Zusammenhang wurde auch diskutiert, dass dieser Wert für den i. A. als Detektionsschicht verwendeten Ferromagneten Permalloy nicht mehr wesentlich gesteigert werden kann, da dessen Präzessionsfrequenz im Nullfeld im Bereich 1 � 2 GHz liegt. Der Zusammenhang der Übertragungseigenschaften von Magneto-Kopplern (und anderen auf magnetoresistiven Effekten basierenden Technologien wie z. B. Festplattenleseköpfe oder der MRAM-Datenspeicher) mit den grundlegenden dynamischen Eigenschaften der entsprechenden ferromagnetischen Nano-Schichten motivierte die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik von ultradünnen Py- und Fe/GaAs(001)-Schichten. Es gelang, koplanare Wellenleiter mit einer Bandbreite von mindestens 20 GHz herzustellen, so dass Limitierungen des Frequenzbereichs aufgrund des experimentellen Messaufbaus bei der Frequenz der beobachteten Effekte keine Rolle mehr spielten. Mittels der induktiven Methode PIMM wurde sodann die Präzession der Magnetisierung um das effektive Magnetfeld detektiert. Die Abhängigkeit der Präzessionsfrequenz von einem externen Magnetfeld lieferte Aussagen über die Sättigungsmagnetisierung und die beteiligten magnetischen Anisotropien. Außerdem konnte das Abklingverhalten der Präzession untersucht und das Unterdrücken des Nachklingelns durch geeignete Wahl der Breite des Anregungspulses demonstriert werden. Bei Anregung mit Pulsen relativ großer Amplitude wurde die Magnetisierung um sehr große Winkel aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt: Die entsprechenden nicht-linearen Effekte konnten detektiert und durch mikromagnetische Simulationen verifiziert werden. Mittels der die konventionelle FMR-Methode modifizierenden VNA-FMR-Methode konnten sodann die Sättigungsmagnetisierung und die beteiligten magnetischen Anisotropien von Py- und Fe/GaAs(001)-Schichten mit erhöhter Genauigkeit bestimmt werden. Vor allem aber erlaubte diese Methode die Detektion des intrinsischen Dämpfungsparameters: entsprechende Literaturwerte konnten exakt verifiziert werden. Die gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zur weiteren Optimierung ultraschneller Bauelemente auf Basis magnetoresistiver Effekte. Zwar ist das Phänomen der ferromagnetischen Resonanz bzw. das Präzessionsverhalten magnetischer Momente seit Jahrzehnten bekannt, jedoch wurde die Detektion dieser Effekte erst mit entsprechend breitbandigen Messgeräten möglich. So ist es im Zusammenhang der immer größeren Anforderungen an die Informationsübertragung nicht verwunderlich, dass die Magnetisierungsdynamik gerade in den letzten Jahren ein enormes Forschungsinteresse weckte. Im Speziellen zeigt sich, dass der Magneto-Koppler durch geeignete Wahl der Vorzugsrichtungen und Kopplungs-Effekte sowie der Richtung des Magnetfeldpulses ein für die ultraschnelle Signalübertragung besonders geeignetes Bauelement darstellt. Es kann eine Bandbreite über 1 GHz erreicht werden, ein für die galvanisch getrennte Signalübertragung innerhalb heutiger Netzwerke sicher ausreichender Wert. Es konnte somit der Nachweis erbracht werden, dass die Technologie des Magneto-Kopplers eine vielversprechende Alternative zu bestehenden Koppler-Technologien darstellt, die zudem monolithisch integrierbar ist und relativ kostengünstig realisiert werden kann