In dieser Arbeit werden magnetische Vortex-Dreifachlagen-Systeme untersucht. Mittels Magnetfeld, Strom und Röntgenzirkulardichroismus kann erstmals die magnetische Konfiguration der Vortexlagen mit dem simultan gemessenen Magnetowiderstand verglichen werden. Die senkrecht mit Strom durchflossenen Kobalt-Kupfer-Permalloy Scheiben werden in einem Mehrschrittprozess mittels Elektronenstrahllithographie auf einer Membran hergestellt, um mit Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie untersuchbar zu sein. Die Auswertung der STXM-Bilder zeigt das gleiche Verhalten wie die Widerstandsmessungen und erlaubt eine eindeutige Zuordnung. Um auch die kleinsten scheibenförmigen Dreifachlagensysteme mittels ferromagnetischer Resonanz zu messen, wurde die Mikroresonator FMR optimiert. Damit können bereits etwa 2.3*10^7 Kobaltatome gemessen werden, wobei die Empfindlichkeit bis zu 4*10^6 Atomen ausreichend sein sollte. Durch 6-fache Mittelung lässt sich ein Kobaltwürfel mit einer Kantenlänge von 12,5nm detektieren. Dabei sind nicht nur die uniforme Mode, sondern auch lokal angeregte Moden sichtbar. Mittels mikromagnetischer Simulationen lassen sich den Resonanzen Modenbilder zuordnen. Die scheibenförmige Dreifachlage wird mit den FMR-Messungen sowohl mit verringertem Durchmesser, als auch mit reduzierter Zwischenschicht untersucht.

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In this thesis we studied precession mechanism in ferromagnetic thin film half-metal NiMnSb. We measured magnetization oscillations using optical pump and probe experiment at temperatures between 15 and 200 K and we evaluated the magnetic anisotropy fields, spin stiffness and Gilbert damping. New setup for ferromagnetic resonance measurement was built utilizing vector network analyser. With this setup we measured FMR at temperatures between 300 and 75 K. We evaluated the same parameters from FMR experiments as from the optical one. We found very good agreement in results obtained by the two methods. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

L'étude des excitations magnétiques de faible amplitude existant dans des films minces à aimantation non uniforme dans la gamme des hautes fréquences, typiquement entre quelques dizaines de MHz et quelques dizaines de GHz, constitue le sujet de ce mémoire. Le cas idéal de films magnétiques possédant une anisotropie perpendiculaire et présentant une configuration d'équilibre de l'aimantation sous forme de rubans parallèles et périodiques est étudié en détail. Dans le cas de films à forte anisotropie perpendiculaire, les spectres théoriques de susceptibilité dynamique calculés à l'aide de modèles analytiques puis, à partir de simulations numériques 2D de micromagnétisme dynamique, font apparaître des excitations localisées soit à l'intérieur des domaines magnétiques soit à l'intérieur des parois magnétiques. Ces résultats ont été comparés de façon satisfaisante avec des résultats expérimentaux issus de mesures de résonance ferromagnétique réalisées sur des films monocristallins de grenats ferrimagnétiques. Toutefois, les largeurs de raie expérimentales associées aux excitations de parois excèdent celles calculées en utilisant le terme dissipatif de Gilbert. Dans le cas de films à faible anisotropie perpendiculaire, les spectres théoriques de susceptibilité dynamique présentent de multiples excitations magnétiques liées à la forte hétérogénéité des configurations d'équilibre de l'aimantation de type rubans faibles. Les analyses modales effectuées à partir des simulations micromagnétiques dynamiques indiquent l'existence de modes de surface et de volume localisés dans différentes régions de spins à l'intérieur du film. L'influence de différents paramètres (anisotropie perpendiculaire, épaisseur du film, champ magnétique statique) sur les principales caractéristiques des spectres (nombre de résonances, fréquences de résonance, intensités et largeurs de raie) est ensuite étudiée. Ces simulations micromagnétiques dynamiques permettent d'interpréter des spectres expérimentaux complexes de perméabilité dynamique mesurés sur des films ferromagnétiques amorphes. Quelques perspectives concernant la dynamique de l'aimantation de faible amplitude dans différents objets magnétiques sont ensuite présentées.

This thesis discusses two different magnetic materials: epitaxial yttrium iron garnet (YIG) and heteromorphous CoFeB-SiO2 films. YIG films were grown by pulse laser deposition (PLD) techniques onto gadolinium gallium garnet (GGG) substrates of (111) and (001) crystal orientations. Using stoichiometric and overstoichiometric ablative targets, we developed two types of YIG submicron films. The films grown from overstoichiometric targets have magnetic properties slightly different from standard liquid phase epitaxy (LPE) YIGs. They also demonstrate good substrate matching and approximately 6% nonstoichiometry. In contrary, films grown from stoichiometric targets posses surprisingly high values of uniaxial anisotropy, meanwhile cubic anisotropy is reduced several times. These films also reveal strong lattice distortions and nonstoichiometry around 17%. Employing Weiss molecular field theory and single-ion anisotropy model we determined the preferential occupancy of the octahedral [a] positions in the YIG cubic lattices by Fe3+ vacancies. The vacancies were found to be preferentially oriented along the growth direction perpendicular to the film surface. We called this effect “deformation blockade”. Different magnetostatic surface wave (MSSW) filters were also demonstrated. The filters employ high uniaxial anisotropy in YIG submicron films with magnetic losses ΔH ~ 1 Oe.  Heteromorphous CoFeB-SiO2 films were deposited onto glass substrates employing carrousel magnetron sputtering. This novel technique allows amorphous films fabrication with record high in-plane anisotropy. The induced anisotropy fields here are approximately dozen times greater the values achieved using conventional growth technique when external bias field is applied during deposition process. Interesting observations were made studying CoFeB-SiO2 magnetization dynamics in the wide frequency range from 500 kHz up to 15 GHz.  Two different anomalies of the magnetic susceptibility were found at the field of in-plane anisotropy Hp and critical field Hcr (0 < Hcr < Hp). We explained the anomalies appearance by sequence of the domain walls transformations so that Néel-Bloch-Néel domain wall transition stands for the instability at H = ±Hcr and transition from the uniformly magnetized state to the domain state with Néel domain wall and vice versa is responsible for the instability at H = ±Hp. / QC 20111122

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work is dedicated to investigate the spin relaxation in amorphous CoFeSiB glass-covered microwires and multilayered films of Permalloy/Cu. The microwires samples were Joule annealed and axially stressed in order to evaluate the modifications in the damping mechanisms due to the stress induced anisotropy. In the films we were interested in the observation of the modifications in the damping mechanisms imposed by the number of interfaces in the samples. We were able to identify the main damping mechanisms responsible for the spin relaxation in these materials by ferromagnetic resonance experiments. In order to explain the ferromagnetic resonance linewidth, we considered the extrinsic magnetic relaxation mechanisms in addition to the intrinsic Gilbert damping term, the intrinsic one. The extrinsic magnetic relaxation takes in to account the broadening induced by the magnetic inhomogeneities and is consistent with the two-magnon scattering model and anisotropy dispersions. The contribution from the intrinsic magnetization relaxation is constant in both systems of samples and is not sensible neither to Joule annealing and applied stress in microwires, nor to the increasing of the bilayers number in the films. The extrinsic contribution is very sensible to the anisotropy induction and is a signature of magnetic and structural inhomogeneities. / Este trabalho é dedicado ao estudo da relaxação de spin em microfios amorfos recobertos por vidro com composição nominal de CoFeSiB e em filmes multicamadas de Permalloy/Cu. Nos microfios, avaliamos o efeito da indução de anisotropia pela aplicação de tensão mecânica e o efeito do alívio de tensões internas promovido por tratamento térmico aos mecanismos de amortecimento responsáveis pela relaxação de spin. Nos filmes, avaliamos as modificações impostas aos mecanismos de amortecimento quando variamos o número de bicamadas. Identificamos e quantificamos os principais mecanismos responsáveis pela relaxação magnética, através da investigação da largura de linha de ressonância ferromagnética. Para explicar as larguras de linha de ressonância ferromagnética observadas consideramos como mecanismo intrínseco o mecanismo de amortecimento de Gilbert. Como mecanismos extrínsecos consideramos o alargamento da linha de ressonância devido a inomogeneidades magnéticas, consistente com o modelo de espalhamento de mágnons e com a presença de dispersões na anisotropia. O termo intrínseco de relaxação é constante em ambos os conjuntos de amostras estudados, não variando com o tratamento térmico ou tensão aplicada, no caso dos microfios, nem com o aumento do número de bicamadas, no caso dos filmes. A contribuição extrínseca de amortecimento mostrou-se bastante sensível à indução de anisotropias e é uma assinatura das inomogeneidades estruturais e magnéticas presentes nas amostras.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The possibility of exploring the magnetic properties of amorphous microwires in technological applications has attracted the attention of the scientific community in the last years. Beyond, the magnetoimpedance effect has been established as a powerful tool to study these properties. In this work we show a study of the magnetic properties of Joule heated glasscovered amorphous microwires, CoFeSiB, under applied stress. The stress modifies the anisotropy and the domain structure of the sample being studied by the magnetoimpedance measurements and the FMR dispersion relations. It was established a method to determine the permeability from the magnetoimpedance measurements, valid for a wide frequency range. From the study of the permeability curves parameters associated to the domain walls dynamic can be determined. From the FMR dispersion relations, the value and the direction of the transverse anisotropy field, as well as an estimative of the magnetic domain structure in these microwires were obtained. It can be concluded that the longitudinal anisotropy has the main role in the magnetic behavior of the microwire without stress. Also, it was verified the presence of an inner core with longitudinal anisotropy surrounded by an outer shell with circumferential anisotropy under applied stress. These magnetic configurations can be explained in terms of the frozen stress in the production process of the wire and the additional applied stress. / A possibilidade de explorar as propriedades magnéticas de microfios amorfos em aplicações tecnológicas tem atraído a atenção da comunidade científica nos últimos anos. Além disso, a magnetoimpedância foi estabelecida como uma ferramenta poderosa para estudar estas propriedades. Neste trabalho apresentamos um estudo das propriedades magnéticas de microfios amorfos, CoFeSiB, recobertos por vidro, tratados termicamente e sob aplicação de tensão. A tensão modifica a anisotropia e a estrutura de domínios presente na amostra de tal maneira que podem ser estudadas a partir das medidas de magnetoimpedância e da relação de dispersão de FMR (Ressonância Ferromagnética) extraída delas. Foi estabelecido um método para a determinação da permeabilidade a partir de medidas de magnetoimpedância, válido para uma ampla faixa de freqüências. A partir do estudo dessas curvas de permeabilidade pode-se determinar, por exemplo, parâmetros relativos à dinâmica de paredes de domínios. Do ajuste das relações de dispersão de FMR foram obtidos o valor e a orientação do campo de anisotropia transversal, bem como uma estimativa da estrutura de domínios dos microfios. Destes estudos, concluiu-se que a anisotropia longitudinal domina o comportamento magnético do microfio sem aplicação de tensão. Aplicando-se tensão aos microfios, verificou-se a presença de um núcleo interno com anisotropia longitudinal envolto por uma casca externa com anisotropia circunferencial. Estas configurações magnéticas podem ser explicadas em termos da tensão residual que surge no processo de produção do fio e da tensão adicional aplicada.

Magnetoimpedance has been proved to be an excellent tool to study the magnetization dynamics and the ferromagnetic resonance (FMR) linewidth provides a convenient way for measuring damping parameters in magnetic materials. The FMR linewidth depends on intrinsic magnetic damping and additional magnetic inhomogeneities, but complete understanding of the origin of these damping parameters is still unaccomplished. Besides the fundamental physics interest, the study of damping term and magnetization dynamics is very important for the development of any device which has its physical effect associated with the reversal of magnetization. Furthermore, the FMR linewidth is a very sensitive way to study the structural quality of magnetic samples, in both bulk and thin film geometries. In this work the magnetic relaxation of CoFeSiB glass-covered microwire was investigated by ferromagnetic resonance (FMR) linewidth measurements. We have identified the main damping mechanisms and quantified these damping terms, showing the effect of annealing temperature to them. The study have shown that there are three main damping mechanisms responsible for the FMR linewidth, the Gilbert damping parameter, a damping mechanism due to anisotropy dispersions and two-magnon scattering. The Gilbert damping parameter is almost constant and not influenced by the annealing. The FMR linewidth is very sensitive to anisotropy dispersions and this mechanism has a great contribution to the magnetic relaxation. The two-magnon scattering is an assignment of the inhomogeneities present in the samples and its contribution to the FMR linewidth decrease with the annealing temperature until a critical value, as a result of a decrease of inhomogeneities due to a reduction of the internal stress level. A further increase in the annealing temperature produces an increase in the two-magnon scattering contribution which is an indication of the growing of nanocrystals acting as scattering centers to the spin waves. / Magnetoimpedância tem provado ser uma excelente ferramenta para estudar a dinâmica de magnetização e a largura de linha da ressonância ferromagnética (FMR) fornece uma maneira conveniente para medir parâmetros de amortecimento em materiais magnéticos. A largura de linha FMR depende do amortecimento magnético intrínseco e adicionais inomogeneidades magnéticas, mas o completo entendimento da origem destes parâmetros de amortecimento ainda está inacabado. Além do interesse da física fundamental, o estudo da dinâmica de amortecimento e magnetização é muito importante para o desenvolvimento de qualquer dispositivo que tem seu efeito físico associado com a inversão da magnetização. Além disso, a largura de linha FMR é uma forma muito sensível para estudar a qualidade estrutural de amostras magnéticas. Neste trabalho é apresentado um estudo da relaxação magnética de microfios amorfos de CoFeSiB recobertos por vidro, mostrando o efeito da temperatura de recozimento sobre as propriedades magnéticas do microfio. Foram identificados e quantificados os principais mecanismos de amortecimento, mostrando o efeito da temperatura de recozimento para eles. Os estudos mostraram que existem três principais mecanismos de amortecimento responsável pela largura de linha FMR: o parâmetro de amortecimento de Gilbert; um mecanismo de amortecimento devido à dispersões na anisotropia; e o amortecimento devido ao espalhamento de magnons. O parâmetro de amortecimento de Gilbert é quase constante e não influenciado pelo recozimento. A largura de linha FMR é muito sensível a dispersões da anisotropia e esse mecanismo tem uma grande contribuição para o relaxamento magnético. A dispersão de magnons é uma atribuição de inomogeneidades presentes nas amostras e tem contribuição para a diminuição da largura de linha com a temperatura de recozimento até um valor crítico, como resultado de uma diminuição de inomogeneidades devido a uma redução do nível de estresse interno. Um aumento na temperatura de recozimento produz um aumento na contribuição de espalhamento dos magnons, que é uma indicação do crescimento de nanocristais atuando como centros de dispersão para as ondas de spin.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / In this work the behavior of the magnetoimpedance (MI) in ferromagnetic multilayered (Ni81Fe19/Cu) produced by magnetron sputtering was studied. In all measurements, the probe current was applied perpendicularly to the film surface. The MI measurements were performed in the frequency range 100kHz - 1.8GHz with an HP-4396B impedance analyzer and a specially designed sample holder. Magnetoimpedance ratios of 150% were obtained in some of the studied samples. / Neste trabalho foi estudado o comportamento da magnetoimpedância (MI) em amostras ferromagnéticas (Ni81Fe19) estruturadas em camadas intercaladas com metal normal (Cu) produzidas por magnetron sputtering com a corrente de sonda sendo aplicada perpendicularmente ao plano do filme. A faixa de freqüência usada neste trabalho foi de 100kHz a 1.8GHz num analisador de impedância modelo HP-4396B. Deste modo conseguiuse variações percentuais na MI da ordem de 150%.