Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Sławomir Ziętek

Promotor: prof. dr hab. Tomasz Stobiecki
Promotor pomocniczy: dr inż. Witold Skowroński
Dyscyplina: Elektronika

Spintronika jest relatywnie nową ale bardzo dynamicznie rozwijającą się gałęzią nauki na pograniczu nanotechnologii i elektroniki. W obecnie stosowanych urządzeniach elektronicznych nośnikiem informacji jest przeważnie ładunek elektryczny, którego przepływ jest nieodłącznie związany z wydzielającym się ciepłem. Wykorzystanie spinu elektronu do przechowywania i przetwarzania informacji jest obecnie uważane za realną szansę dalszego rozwoju energooszczędnej elektroniki i informatyki (Green IT). Obecnie, elementy elektroniki spinowej znajdują zastosowanie, m.in. jako komórki nieulotnych pamięci MRAM (Magnetic Random Acces Memory), głowice odczytowe dysków twardych oraz sensory pola magnetycznego. Mikrofalowe urządzenia spintroniczne działające w oparciu o dynamikę magnetyzacji wciąż pozostają nieskomercjalizowanym obszarem, który pozostawia ogromne pole do praktycznych zastosowań. Badanie dynamiki magnetyzacji w mikro- i nano-elementach wymaga ciągłego rozwijania i doskonalenia narzędzi i metod. W niniejszej pracy, opartej na pięciu publikacjach (wymienionych poniżej), omówiono praktyczne zastosowanie tzw. spinowego efektu diodowego (SD) do badania zjawisk dynamiki magnetyzacji w mikrofalowych elementach elektroniki spinowej. Wstęp zawiera krótki rys historyczny dotyczący urządzeń elektroniki spinowej. Następnie, konieczne podstawy teoretyczne dotyczące efektów magnetorezystanyjnych oraz dynamiki magnetyzacji zostały omówione w rozdziale drugim i trzecim pracy. W dalszej kolejności przedstawiono eksperymentalne metody badania rezonansu ferromagnetycznego (FMR) takie jak impulsowy magnetometr indukcyjny - PIMM (Pulse induced microwave magnetometry) oraz VNA-FMR (Vector Network Analyser), które są dedykowane do badania dynamiki głównie w warstwach ciągłych. W tej części szczególną uwagę poświęcono metodzie SD-FMR, która umożliwia elektryczną detekcję dynamiki magnetyzacji w elementach/urządzeniach elektroniki spinowej. Dalszą część pracy poświęcono dwóm szczególnym przypadkom wykorzystania metody SD do badania dynamiki magnetyzacji: w metalicznych wielowarstwach oraz w multiferroicznych heterostrukturach. Urządzenia elektroniki spinowej składające się wyłącznie z warstw metalicznych takie jak np. omawiane w pracy zawory spinowe wykorzystujące efekt gigantycznej magnetorezystancji - GMR (Giant Magnetoresistance), wykazują duży potencjał do zastosowań jako detektory mikrofalowe z uwagi na relatywnie nieskomplikowany proces wytwarzania. W tej części przedstawiono wyniki badań nad dynamiką magnetyzacji w zaworach spinowych GMR z różnych sprzężeniem wymiennym IEC (Interlayer Exchange Coupling). Widma rezonansu ferromagnetycznego zostały zbadane w szerokim zakresie częstotliwości (10MHz - 10GHz) w celu określenia wpływu IEC na dynamikę magnetyzacji. Przedstawiono również analizę strat mikrofalowych w torze pomiarowym, która jest konieczna w pomiarach szeroko-pasmowych. Wyniki badań wykazały silny wpływ IEC szczególnie w zakresie megahercowym, co zostało potwierdzone modelem teoretycznym. Dalsza część pracy dotyczy badań dynamiki magnetyzacji w multiferroicznych heterostrukturach, które dzięki magnetoelektrycznemu sprzężeniu umożliwiają sterowanie anizotropią magnetyczną za pomocą pola elektrycznego. W tej części napięciowe przestrajanie rezonansu ferromagnetycznego i rezonansu fal spinowych zostało zademonstrowane w mikropaskowych strukturach PMN-PT/NiFe wykonanych za pomocą litografii elektronowej. Mimo relatywnie małej magnetostrykcji warstwy NiFe czułość przestrajanego napięciowo rezonansu ferromagnetycznego wyniosła 1MHz/V. Wyniki eksperymentalne zostały potwierdzone zarówno modelem teoretycznym jak również symulacjami mikromagnetycznymi. W dodatku do pracy został szczegółowo omówiony proces - przy użyciu technik litografii elektronowej, trawienia jonowego oraz rozpylania katodowego - nano- i mikrostrukturyzacji magnetycznych układów wielowarstwowych do postaci funkcjonalnych elementów spintronicznych.

Recenzje

Recenzja - prof. dr hab. inż. Sławomir Tumański

Recenzja - dr hab. Andrzej Wawro, prof. PAN

Ważniejsze publikacje doktoranta:

S. Ziętek, P. Ogrodnik, M. Frankowski, J. Chęciński, P.Wiśniowski, W. Skowroński, J. Wrona, T. Stobiecki, A.Żywczak, J. Barnaś, Magnetization dynamics of NiFe film and anisotropic magnetoresistance device: comparison of microwave detection methods, Microwave, Radar and Wireless Communications (MIKON), 2016 21st International Conference on. IEEE Xplore, (2016), DOI: 10.1109/MIKON.2016.7492137

S. Ziętek, P. Ogrodnik, M. Frankowski, J. Chęciński, P.Wiśniowski,W. Skowroński, J. Wrona, T. Stobiecki, A.Żywczak, J. Barnaś, Rectification of radio-frequency current in a giant-magnetoresistance spin valve, Physical Review B 91, 014430 (2015), DOI: 10.1103/Phys-RevB.91.014430

S. Ziętek, P. Ogrodnik, W. Skowroński, P. Wiśniowski, M. Czapkiewicz, T. Stobiecki, J. Barnaś, The influence of interlayer exchange coupling in giant-magnetoresistive devices on spin diode effect in wide frequency range, Applied Physics Letters 107, 122410 (2015), DOI:10.1063/1.4931771

S. Ziętek, P. Ogrodnik, W. Skowroński, F. Stobiecki, S. van Dijken, J. Barnaś, T. Stobiecki Electric-field tunable spin diode FMR in patterned PMN-PT/NiFe structures, Applied Physics Letters 109, 072406 (2016), DOI: 10.1063/1.4961124

S. Ziętek, J. Chęciński, M. Frankowski, Skowroński, T. Stobiecki, Electric-field tunable spin waves in PMN-PT/NiFe heterostructure: Experiment and micromagnetic simulations, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 428, 64 (2017), DOI: 10.1016/ j.jmmm.2016.11.056