The magnetic properties and crystal texture of micron-sized, lithographically patterned ferromagnetic/antiferromagnetic (FM/AF) exchange-coupled elements supporting vortex remanent magnetization states were characterized using experimental and numerical modeling techniques. 10umx10um square elements consisting of Ni80Fe20/Ir20Mn80 bilayers prepared on silicon and glass substrates using e-beam lithography and magnetron sputtering were thermomagnetically annealed under various in-plane cooling fields to induce exchange bias. Longitudinal and time-resolved Kerr effect microscopy were employed to measure the quasi-static hysteresis and dynamic response, while X-ray diffraction analysis was used to probe their crystal texture under different deposition and substrate conditions. The FM layer was found to be critical for the development of the necessary texture and spin alignment in the AF for creating interfacial exchange-bias. The exchange-bias field was found to significantly alter the magnetic behavior of the samples, leading to the stabilization of the vortex structure and asymmetric hysteresis loop shift in the quasi-static regime, as well as precessional frequency reduction of the bottom domain in the dynamic regime. Numerical simulations showed good qualitative agreement with both experimental observations and existing literature, and revealed the origin of the precessional frequency reduction as the different spin-wave eigenmodes excited by different remanent magnetization states. / Graduate

Title: Investigation of spin structure and dynamics in magnetically ordered thin films Author: Tomáš Janda Abstract: This thesis is devoted to the development of methods for imaging and ultrafast manipulation of magnetic textures, such as magnetic domains and domain walls (DWs), and to the investigation of the corresponding magnetiza- tion dynamics. We focused on techniques that are, besides ferromagnets (FMs), applicable also to antiferromagnets (AFs), in particular, AF thin films. The employed excitation techniques were mostly based on direct or indirect effects of ultrashort laser pulses. We studied the DW motion induced by a transfer of angular momentum from circularly polarized femtosecond laser pulses in a FM GaMnAsP and we found that the observed macroscopic DW displacement is only possible due to its inertia. In a distinct experiment, picosecond current pulses were generated by an absorption of the ultrashort laser pulses in a verti- cal PIN diode-based photoconductive switch and used to excite a magnetic film deposited directly on top of the diode. For imaging of AF domain patterns, we developed a simple table-top laser-scanning technique, which is based on a magneto-thermoelectric response of the AF textures in the presence of a local laser-induced heating. We first used the method to image the...

Dans ce travail, de nouveaux développements sur les techniques de localisation des composants électroniques en trois dimensions sont montrés. Ces développements sont réalisés grâce à l'introduction de simulations pour une technique déjà existante: la Microscopie Magnétique (MM). Dans la première partie, l'état de l'art de l'assemblage des nouveaux composants tridimensionnels est décrit. Il est ensuite suivi par une description du processus FA actuel, tout en le gardant aussi général que possible. Une description de la fiabilité des dispositifs, en fonction de leur temps d'utilisation est décrite, permettant au lecteur de comprendre pourquoi initialement l'Analyse de défaillance est apparue nécessaire. L'ensemble du processus d'analyse de défaillance est alors décrit de manière générale, à partir de la caractérisation électrique du défaut, jusqu'aux résultats finaux. Dans la deuxième partie est ensuite expliquée dans le détail la technique de microscopie magnétique, qui utilise les propriétés des champs magnétiques générés par les courants, et permet de localiser précisément les défauts des composants électroniques standards. La troisième partie de ce travail est consacrée à l'approche de simulation (SA): une nouvelle méthodologie développée pour étendre les capacités des techniques de microscopie magnétique. Le principe de base est de comparer la simulation magnétique générée par des hypothèses de distributions de courant aux acquisitions magnétiques de la distribution réelle. L'évaluation de la corrélation entre les deux donnera ensuite une mesure de la distance entre eux. Par ailleurs, cette approche est capable de surmonter les limitations de la technique: le défaut peut désormais être localisé en trois dimensions. Enfin, dans la quatrième partie, la nouvelle technique est appliquée et validé sur un ensemble de cas d'études. / In this work, new developments on localization techniques for three-dimensional electronic components are shown and demonstrated. These are performed through the introduction of simulations for an already existing technique: Magnetic Microscopy (MM). In the first part, a state of the art of new three-dimensional components assembly is described. It is then followed by an up to date FA process description, while keeping it as general as possible. A description of component reliability, in function of the time of usage of such devices is shown, allowing the reader to understand why the need for Failure Analysis arose in the first place. The whole process of Failure Analysis is then described in a general way, starting from the electrical characterization of the defect, to the final results. The second part then explains the Magnetic Microscopy technique in more detail. This technique uses the properties of the magnetic fields, which are generated by the currents, to precisely localize the defects in standard electronic components. The third part of this work is dedicated to the Simulation Approach (SA): a new methodology developed to extend the capabilities of Magnetic Microscopy techniques. The basic principle is that of comparing magnetic simulations generated by hypothetical current distributions to the magnetic acquisitions of the real current distribution. The evaluation of the correlation between the two then gives a measurement of the distance between them. This approach is able to overcome the previous limitations of the technique: the defect can now be localized in three dimensions. Finally, in the fourth part the new technique is applied and validated on a set of case studies.

L'objectif de la thèse fut d'étudier plusieurs techniques d'analyse de défaillance (Microscopie magnétique, Thermographie à détection synchrone, Tomographie à Rayons X, Réflectométrie Temporelle) sur leur propriété de localisation de défaut électrique (Court-circuit, circuit ouvert, ouvert résistif, etc.) sur des systèmes et composants électroniques 3D. Des possibilités d'évolution de ces techniques sont suggérées afin de permettre d'assurer la localisation des défauts dans ces nouveaux composants électroniques. Ceci passe notamment par la mise en place d'analyses magnétiques sur des échantillons inclinés ainsi que par l'introduction d'une imagerie de phase, et d'amplitude magnétique. Ce travail a également permis de proposer le couplage d'informations obtenues par microscopie magnétique et tomographique à rayons X dont l'ensemble serait piloté par simulation magnétique 3D. / The thesis purpose was to explore several failure analysis techniques (Magnetic microscopy, Lock-in Thermography, X-rays Tomography, Time Domain Reflectometry) on their capabilities to localize the electrical defect (Short circuit, open circuit, resistive open, etc.) on 3D electronic component and system. Assessment possibilities of these techniques are suggested in order to ensure the defect localization in these new components. In particular, implementations of magnetic analysis in tilted sample as well as introduction of phase and amplitude magnetic images have been realized. This work also proposes to couple information obtain from magnetic microscopy to X-rays Tomography where the all system would be driven by 3D magnetic simulation

Magnetické vortexy jsou charakterizovány směrem stáčení magnetizace a polarizací vortexového jádra, přičemž každá z těchto veličin nabývá dvojice stavů. Ve výsledku jsou tak k dispozici čtyři možné stabilní konfigurace, čehož může být využito v multibitových paměťových zařízeních. Tato dizertační práce se zabývá selektivním zápisem stavů magnetického vortexu v magnetickém disku pulzem elektrického proudu stejně jako jejich následným elektrickým čtením. Před samotnou realizací elektrických měření byla provedena statická měření přepínání stavů vortexu pomocí různých proudových pulzů v kombinaci s technikami MFM a následně MTXM. Následně byl realizován dynamický odečet stavu vortexu kompletně založený na elektrických měřeních. Ovládání cirkulace vortexu je založeno na geometrické asymetrii vytvořené oříznutím magnetického disku a vytvořením fazety. Plochý okraj disku definuje preferenční smysl stáčení cirkulace během procesu nukleace vortexu. Řízení polarity se obvykle provádí ve dvou krocích. V prvním kroku, homogenně magnetizovaná vrstva s kolmou magnetickou anizotropií umístěná na dně disku definuje výchozí polaritu vortexu v době nukleace. V druhém kroku, je-li to nutné, je polarita vortexu přepnuta pomocí rychlého proudového pulzu. Proto je možné nastavit požadovaný stav cirkulace vysláním nanosekundového pulsu s nízkou amplitudou, následované nastavením polarity pikosekundovým pulsem s vysokou amplitudou. Stavy vortexů jsou pak detekovány elektrickou spektroskopií prostřednictvím anizotropní magnetorezistence. Vzorky pro všechna statická a dynamická měření byly připraveny pomocí elektronové litografie v kombinaci s lift-off procesem.