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Development of magnon-based offset-free magnetic field sensors
Markus Gattringer
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Dieter Süss
DOI
10.25365/thesis.77288
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10652.21074.204635-6
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Fähigkeit wichtige Informationen rasch, genau und aus der Ferne festzustellen ist ein Grundstein des Fortschrittes in der Technik geworden. Sensoren die Magnetfelder detektieren und messen können – Magnetometer – spielen eine wichtige Rolle in Anwendungen in denen mechanische Parameter (i. e. Position oder Bewegung) ermittelt werden und unterstützen die Speicherung und Verarbeitung digitaler Daten. Es existieren verschiedene Methoden Magnetfelder zu messen, als weitestverbreitete in technischen Anwendungen basierend auf dem Hall-Effekt und dem magnetoresistiven Effekt. Eine der größten Herausforderungen ist die Entwicklung eines Offset-freien Magnetometers welches in Abwesenheit eines Feldes kein Signal ausgibt, ohne Einfluss der Fertigungsgenauigkeit. Es existieren Techniken um diesen Offset zu minimieren, aber für magnetoresistive Magnetometer verbleibt eine beträchtliche Abweichung. Eine Methode Magnetfelder zu messen die in der Vergangenheit nur oberflächlich behandelt wurde, vor allem in Hinsicht der Möglichkeit den Offset auszulöschen, ist Messung auf der Basis von Spin-Wellen – Magnonen. Das Verhalten dieser Magnonen ist empfindlich auf externe Felder. Die Amplitude der Welle dient als Indikator; die verwendete Detektionsmethode basiert auf spin pumping und dem inversen Spin-Hall-Effekt um ein Spannungssignal zu erzeugen. Die Verwendung von spin pumping bedeutet dass die Detektion nicht auf einem elektrischen Strom durch die Materialschichten basiert und damit Aufheizung verhindert wird; dies erhöht auch die Lebensdauer der Struktur. Der Nachteil ist aber verminderte Empfindlichkeit. Spin pumping wurde bis jetzt in keinem praktikablen Entwurf verwendet. Um spin pumping in einem mikromagnetischen Umfeld behandeln zu können, wurde ein Rechenmodel erstellt. Dieses wurde auch in einem Fachmagazin veröffentlicht und in der verwendeten mikromagnetischen Plattform integriert. Das Modell löst die Spin-Drift-Diffusionsgleichung komplett mit den Kopplungstermen, in beiden Richtungen, zur Magnetisierungsdynamik. Ein Entwurf basierend auf einer stehenden Spin-Welle wurde numerisch untersucht. Die Ergebnisse wurden auch in einem Fachmagazin veröffentlicht. Es ist in der Tat frei von Offset, innerhalb der Grenzen mikromagnetischer Simulationen. Die Anforderungen an den Fertigungsprozess dieses Entwurfes sind recht hoch, und die Empfindlichkeit, resultierend aus der begrenzten Amplitude einer Spin-Welle, recht niedrig. Ein zweiter Entwurf wurde deshalb ebenfalls numerisch untersucht. Dieser basiert auf ferromagnetischer Resonanz, i. e. ein Magnon ohne Impuls. Dieser Entwurf behebt im Wesentlichen die Beschränkungen des Ersten. Es kann festgestellt werden dass ein Entwurf basierend auf magnetischer Präzession und/oder spin pumping nicht gegen Hall-Effekt-Magnetometer bestehen kann, sowohl hinsichtlich Empfindlichkeit als auch Offset. Verglichen mit magnetoresistiven Magnetometern sind die erzielten Ergebnisse, vor allem des zweiten Entwurfes, jedoch vielversprechend. Zukünftige Bearbeitung, i. e. Herstellung eines Prototypen und dessen Test, ist notwendig um reelle Aussagen treffen zu können.
Abstract
(Englisch)
The abilitiy to rapidly, accurately, and remotely determine vital information has become one of the cornerstones of progress in engineering. Sensors that can detect and measure magnetic fields – magnetometers – play a large part in applications to determine mechanical parameters (i. e. position or motion) and support the storage and processing of digital data. There exist a range of different methods to measure magnetic fields, with the two most common ones in engineering applications being based on the Hall-effect and the magnetoresistive effect. One of the biggest challenges is the development of an offset-free magnetometer that provides zero signal at zero field, regardless of the manufacturing accuracy. There exist techniques to minimize this offset but for magnetoresistive magnetometers considerable offset remains. A method to measure magnetic fields that has only been examined superficially in the past, especially regarding the ability to nullify the offset, is measurement based on spin waves – magnons. The behavior of those magnons is sensitive to any external magnetic field. The amplitude of the wave is used as its indicative quantity; the employed detection method then relies on spin pumping and the inverse spin-Hall effect to generate a voltage signal. Using spin pumping means that the detection does not rely on an electric current afflicting the necessary multilayer heterostructure, therefore avoiding Joule heating and increasing the lifetime of the device. The downside is decreased sensitivity. Spin pumping has hitherto never been employed in a practical design. To employ spin pumping in a micromagnetic setup, a computation model had to be developed. This was published in a peer-reviewed journal and integrated in the used micromagnetic solver suite. The model solves the spin drift-diffusion equation, complete with coupling terms, in both directions, to the magnetization dynamics. A design based on a standing spin-wave was examined numerically. The results have also been published in a peer-reviewed journal. It is indeed free from offset, within the limits of micromagnetic simulations. As the manufacturing requirements for this design are rather high, and the resulting sensitivity is very low, owing to the limited amplitude possible for a spin wave, a second design has also been examined numerically. This relies on ferromagnetic resonance, i. e. a magnon without momentum. This design remedies, at least to some extend, the major shortcoming of the first. It can be assessed that a design based on magnetic precession and/or spin pumping can not compete with Hall-effect devices, both regarding sensitivity and offset. However, compared to magnetoresistive devices, the obtained results, especially for the second design, look promising. Future work, i. e. fabrication of a prototype and testing, is necessary to obtain real-world data.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Mikromagnetismus Magnonik Spintronik Magnetfeldsensor
Schlagwörter
(Englisch)
Micromagnetism Magnonics Spintronics Magnetic field sensor
Autor*innen
Markus Gattringer 
Haupttitel (Englisch)
Development of magnon-based offset-free magnetic field sensors
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung Magnon-basierter offset-freier Magnetfeldsensoren
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
116, XX Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Riccardo Hertel ,
Philipp Pirro
AC Nummer
AC17393104
Utheses ID
72247
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |