Dynaaminen hystereesi Permalloy-ohutkalvoissa
Toivonen, Esko (2020)
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering and Natural Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-25
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005155381
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202005155381
Tiivistelmä
Dynaamisessa hystereesissä ferromagneettiseen kappaleeseen kohdistuva ulkoinen muuttuva magneettikenttä muuttuu niin nopeasti, että kappaleen magnetisaatiovaste on myöhässä ulkoiseen kenttään nähden. Tässä kandidaatintyössä tutkittiin dynaamista hystereesiä neliön muotoisessa 10 nm paksussa permalloy-ohutkalvossa. Työn tavoitteena oli tutkia, miten systeemiin muodostuvan hystereesisilmukan pinta-ala vaihtelee ulkoisen sinimuotoisen kentän taajuuden ja amplitudin funktiona.
Tutkimus suoritettiin numeerisen mikromagneettisen simulaation avulla. Simulaatioon käytettiin GPU-pohjaista MuMax3-ohjelmaa, joka ratkaisee Landau-Lifshitz-Gilbert-yhtälöä numeerisesti. Jokaisen simulaation alussa tarkasteltavan neliön magnetisaatio alustettiin vorteksin muotoiseksi, minkä jälkeen systeemiin syötettiin sinimuotoinen x-suunnassa muuttuva kenttä. Kentän taajuutta muutettiin välillä 0,1-10 GHz ja amplitudia välillä 1-20 mT. Simulaatioita ajettiin usean ulkoisen kentän jaksonajan ajan, jotta tarkasteltavaan systeemiin muodostuisi stabiili silmukka. Stabiilin silmukan saavuttaneella parametrialueella määritettiin tämän silmukan pinta-ala, ja tarkasteltiin, miten pinta-ala muuttui ulkoisen kentän taajuuden ja amplitudin funktiona.
Tutkitulla parametrialueella stabiileja silmukoita havaittiin alle 10 mT:n amplitudeilla. Tätä suuremmilla amplitudeilla systeemi oli kaoottinen, eikä hystereesisilmukalle voitu määrittää stabiilia pinta-alaa. Dynaaminen hystereesisilmukka oli yleisesti kapea. Noin 5 GHz:n taajuudella silmukan muoto pyöristyi, mikä viittaa resonanssiin systeemissä. Tällä taajuudella silmukka myös kääntyi niin, että magnetisaation maksimi saavutettiin, kun ulkoinen kenttä oli negatiivinen. 5 GHz:iä suuremmilla taajuuksilla silmukka kapeni, mutta orientaation kääntyminen säilyi.
Dynaamisten hystereesisilmukoiden pinta-alojen havaittiin noudattavan potenssilakia ulkoisen kentän amplitudin funktiona. Tämän potenssilain eksponentti oli välillä 1-3, mikä vastaa melko hyvin aikaisempia tutkimuksia. Ulkoisen kentän taajuuden funktiona pinta-alat eivät noudattaneet potenssilakia tutkitulla parametrialueella, vaan noin 5 GHz:n taajuudella havaittiin pinta-alan maksimi. Myös tämä viittaa resonanssiin.
Tutkimus suoritettiin numeerisen mikromagneettisen simulaation avulla. Simulaatioon käytettiin GPU-pohjaista MuMax3-ohjelmaa, joka ratkaisee Landau-Lifshitz-Gilbert-yhtälöä numeerisesti. Jokaisen simulaation alussa tarkasteltavan neliön magnetisaatio alustettiin vorteksin muotoiseksi, minkä jälkeen systeemiin syötettiin sinimuotoinen x-suunnassa muuttuva kenttä. Kentän taajuutta muutettiin välillä 0,1-10 GHz ja amplitudia välillä 1-20 mT. Simulaatioita ajettiin usean ulkoisen kentän jaksonajan ajan, jotta tarkasteltavaan systeemiin muodostuisi stabiili silmukka. Stabiilin silmukan saavuttaneella parametrialueella määritettiin tämän silmukan pinta-ala, ja tarkasteltiin, miten pinta-ala muuttui ulkoisen kentän taajuuden ja amplitudin funktiona.
Tutkitulla parametrialueella stabiileja silmukoita havaittiin alle 10 mT:n amplitudeilla. Tätä suuremmilla amplitudeilla systeemi oli kaoottinen, eikä hystereesisilmukalle voitu määrittää stabiilia pinta-alaa. Dynaaminen hystereesisilmukka oli yleisesti kapea. Noin 5 GHz:n taajuudella silmukan muoto pyöristyi, mikä viittaa resonanssiin systeemissä. Tällä taajuudella silmukka myös kääntyi niin, että magnetisaation maksimi saavutettiin, kun ulkoinen kenttä oli negatiivinen. 5 GHz:iä suuremmilla taajuuksilla silmukka kapeni, mutta orientaation kääntyminen säilyi.
Dynaamisten hystereesisilmukoiden pinta-alojen havaittiin noudattavan potenssilakia ulkoisen kentän amplitudin funktiona. Tämän potenssilain eksponentti oli välillä 1-3, mikä vastaa melko hyvin aikaisempia tutkimuksia. Ulkoisen kentän taajuuden funktiona pinta-alat eivät noudattaneet potenssilakia tutkitulla parametrialueella, vaan noin 5 GHz:n taajuudella havaittiin pinta-alan maksimi. Myös tämä viittaa resonanssiin.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [6519]