Development of an apparatus for the acquisition of ferromagnetic resonance utilizing a VNA

Abstract

Resumo: Sinais de resonância ferromagnética foram observados pela primeira vez, mais de um século atrás, por V.K. Arkadiev em arames. Recentemente, a partir do interesse em utilizar o fenôm eno na spintrônica, o estudo atingiu a escala de frequências em gigahertz em filmes nanométricos. Isto passou a exigir, naturalmente, equipamentos mais sofisticados. A ressonância ferromagnética é uma área de pesquisa bastante ativa mas a aquisição de seu sinal requer um aparato com plexo e demorados ajustes. A técnica VNA-FMR foi empregada neste trabalho para a aquisição de sinais FMR de várias amostras, inclusive de espessura na escala de angstrons. Uma técnica de aquisição de sinais discreta e outra contínua foram desenvolvidas com a última atingindo melhores resultados que a primeira numa fração do tem po original e com melhor resolução. Guias de onda/ porta-amostras m icrostrip e GCPW foram utilizados, todos dimensionados para uma im pedância 50 Ohms. Aquisições foram realizadas até 18 GHz , o final da escala do VNA utilizado. Am ostras de perm alloy e cobalto-platina foram analisadas e seus dados com pilados. A caracterização FMR incluiu o coeficiente de atenuação de Gilbert, o fator-g, a m agnetização de saturação e anisotropia magnética.

Abstract: Ferromagnetic resonance signals have been first observed more than a century ago by V.K. Arkadiev on wires, and recently, from the interest on utilizing the phenomena on spintronics, it has scaled up to gigahertz frequencies and nanom etric sizes. This, of course, has been met by increasingly sophisticated measurement requirements. Ferromagnetic resonance is a very active research area but its acquisition requires a com plex apparatus and lengthy tweaking. The vector network analyzer (VNA)-FMR technique was em ployed in this work to acquire FMR signals from several samples down to angstrom dimensions. A field-discrete and a field-synchronous technique were explored whereas the later achieved in a few seconds acquisition a whole FMR lorentzian at increased resolution. M icrostrip and GCPW sample-holders were utilized, all designed to meet a 50 O impedance. Measurements were perform ed up to 18 GHz, the m aximum frequency the available VNA was able to source. Permalloy and Cobalt-Platinum samples were analyzed and their FMR data compiled. FMR characterization included the Gilbert attenuation coefficient, g-factor, saturation magnetization and m agnetic anisotropy.