Vector Network Analyzer를 이용한 Py 박막의 강자성공명연구

Abstract

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer; VNA)와 코플라나 전송선(coplanar waveguide; CPW)을 이용한 강자성 공명 측정 방법을 개발하기 위해 두께가 각각 10, 20, 40 nm인 <TEX>$Ni_{81}Fe_{19}$</TEX>(Permalloy; Py) 합금 박막을 증착하여 측정하였다. 유리기판 위에 패터닝 작업을 거쳐 CPW를 형성하고 제작된 CPW 위에 Py 박막을 직접 올려놓아 시료의 반사/투과계수인 S-파라미터를 측정하였다. 외부자기장을 0 Oe에서 490 Oe까지 변화 시키며 측정해본 결과 Py 박막의 공명주파수는 2.5 GHz에서 7 GHz 범위 내에서 나타났으며 외부자기장의 세기가 커짐에 따라 공명주파수도 증가함을 확인하였다. S-파라미터를 분석하여 나온 공명주파수와 반치폭을 이용하여 포화자화량과 길버트 감쇠 상수를 구한 결과 Py 박막 40 nm에서 길버트 감쇠 상수 값 0.0124(<TEX>$\pm$</TEX>0.0008)를 구했고 이는 선행 연구되었던 일반적인 강자성 공명 측정값과 일치함을 볼 수 있었다. 또한 두께별 의존도를 조사해본 결과 두께가 작아질수록 S-파라미터의 세기가 작아지는 것을 확인 할 수 있었으며, 강자성공명 분석 결과에서 Py 박막의 두께가 10 nm에서 40 nm까지 증가할 때 유효 포화 자화가 7.205(<TEX>$\pm$</TEX>0.013) kOe에서 7.840(<TEX>$\pm$</TEX>0.014) kOe로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. Ferromagnetic resonance (FMR) measurement is an important experimental technique for the study of magnetic dynamics. We designed and set up the vector network analyzer ferromagnetic resonance (VNA-FMR) measurement system with home made coplanar waveguides (CPW). We examined 10-, 20-, 40-nm thick Py thin films to test the performance of the VNA-FMR measurement system. We measured S-parameter (transmission/reflection coefficient) of Py thin films on a CPW. Resonance frequency is investigated from 2.5 to 7 GHz for a field range from 0 to 490 Oe. The VNA-FMR data shows the resonance frequency increment when the external magnetic field increases. We also investigated Gilbert damping constant of Py thin film using resonance frequency (<TEX>${\omega}_r$</TEX>) and linewidth (<TEX>$\Delta\omega$</TEX>). After investigating dependence of thickness, we find that an decrease in S-parameter intensity as Py thin film thickness decreases. And the FMR results show that the effective saturation magnetization, <TEX>$M_{eff}$</TEX>, increase from 7.205(<TEX>$\pm$</TEX>0.013) kOe to 7.840(<TEX>$\pm$</TEX>0.014) kOe, while the film thickness varies from 10 to 40 nm.