Développement d'un montage de résonance ferromagnétique en fonction de la température pour l'étude des couches minces de CoFeCrB

Ce projet de maîtrise de recherche présente les étapes de réalisation d’un montage expérimental pour mesurer la résonance ferromagnétique en fonction de la température et son application à l’étude des couches minces de CoFeCrB. Le projet est en quelque sorte une suite des travaux de K. Oguz et de C. Lacroix sur l’étude de l’ajout de Cr dans des couches minces de CoFeB dans le contexte de jonctions tunnels magnétiques. Premièrement, dans ses travaux, K. Oguz émet l’hypothèse que le CoFeCrB permettrait de diminuer le courant critique nécessaire au renversement de l’aimantation par couplage de spins en raison de sa plus faible aimantation à saturation. Il a observé une diminution quasi linéaire de l’aimantation à saturation en fonction de la concentration de Cr dans les couches minces magnétiques. Ensuite, les travaux de C. Lacroix ont mis en lumière l’impact de la substitution de Cr sur les mécanismes de relaxation magnétiques qui ont aussi une influence sur le courant critique. Il a observé une augmentation de la largeur de résonance en fonction de la concentration de Cr dans les échantillons, ce qui vient contrer une partie de l’avantage de la diminution de l’aimantation à saturation. Les travaux actuels s’intéressent ensuite à la dépendance des mécanismes de relaxation en fonction de la température de l’échantillon. Cette étude en température des couches minces de CoFeCrB est nécessaire pour mieux identifier l’origine exacte des mécanismes de relaxation observés par C. Lacroix. Donc, l’objectif principal du projet est de développer un montage de résonance ferromagnétique en fonction de la température afin d’étudier la condition de résonance et les mécanismes de relaxation dans des couches minces de CoFeCrB avec des concentrations différentes de Cr. Un montage complet, permanent et automatisé de résonance ferromagnétique en fonction de la température a été développé. Ce montage permet des mesures à large bande entre 26.5 GHz et 40 GHz à des températures entre 4 K et 300 K. Ce montage utilise un aimant supraconducteur de 9.4 T comme source de champ magnétique externe pour la saturation de l’échantillon, donc des mesures à plus hautes fréquences peuvent être envisagées. La température de l’échantillon est contrôlée par une insertion à température variable munie d’un circuit fermé d’hélium refroidi. L’excitation et la détection est effectuée à l’aide d’un circuit micro-onde composé d’un adaptateur coaxialguide d’onde court-circuité, d’une diode et d’un amplificateur à détection synchone. Une bobine de modulation a été conçue afin de moduler le champ magnétique externe. L’automatisation de la prise de mesures avec LabView a permis l’exécution du plan de 240 mesures de résonance ferromagnétique durant 7 semaines.

Abstract

This master’s research project presents the steps involved in the development of an experimen-tal setup to measure ferromagnetic resonance as a function of temperature and its application to the study of CoFeCrB thin films. The project is, in a way, a continuation of the work of K. Oguz and C. Lacroix on the study of substituting Cr in CoFeB thin films in the context of magnetic tunnel junctions. First, in his work, K. Oguz hypothesized that CoFeCrB would re-duce the critical current required for magnetization reversal by spin coupling due to its lower saturation magnetization. He observed a nearly linear decrease in saturation magnetization as a function of Cr concentration in the magnetic thin films. Subsequently, C. Lacroix’s work highlighted the impact of Cr substitution on magnetic relaxation mechanisms, which also influence the critical current. He observed an increase in resonance width with increasing Cr concentration in the samples, which partially offsets the advantage of the decreasing satura-tion magnetization. Current work then focuses on the temperature dependence of relaxation mechanisms. This temperature dependent study of CoFeCrB thin films is necessary to better identify the precise origin of the relaxation mechanisms observed by C. Lacroix. Therefore, the main objective of the project is to develop a temperature dependent ferromagnetic res-onance setup to study the resonance conditions and the relaxation mechanisms in CoFeCrB thin films with varying Cr concentrations. A complete, permanent, and automated temperature dependent ferromagnetic resonance setup has been developed. This setup enables broadband measurements between 26.5 GHz and 40 GHz at temperatures between 4 K and 300 K. It uses a 9.4 T superconducting mag-net as the external magnetic field source for sample saturation, thus allowing measurements at higher frequencies. The sample temperature is controlled by a variable temperature in-sert with a cooled helium closed circuit. Excitation and detection are performed using a microwave circuit consisting of a shorted coaxial-waveguide adapter, a diode, and a lock-in amplifier. A modulation coil was designed to modulate the external magnetic field. Automat-ing the measurements with LabView enabled the execution of 240 ferromagnetic resonance measurements over a 7 week period. The data analysis process relies on a formalism based on solving the Landau-Lifshitz-Gilbert equation, taking into account the various effective magnetic anisotropy fields present in the material under study.