Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Хивинцев Ю. В., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Павлов Е. С., Высоцкий С. Л., Филимонов Ю. А. Влияние геометрии тонкопленочных микроволноводов на основе железоиттриевого граната и расположения микроантенн на характеристики возбуждения и прохождения в них магнитостатических волн // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2021. Т. 21, вып. 3. С. 249-263. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-3-249-263, EDN: FZBVOV

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
31.08.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 289)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.876.4:537.635
DOI: 
10.18500/1817-3020-2021-21-3-249-263
EDN: 
FZBVOV

Влияние геометрии тонкопленочных микроволноводов на основе железоиттриевого граната и расположения микроантенн на характеристики возбуждения и прохождения в них магнитостатических волн

Авторы: 
Хивинцев Юрий Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Кожевников Александр Владимирович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Сахаров Валентин Константинович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Дудко Галина Михайловна, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Павлов Евгений Сергеевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Высоцкий Сергей Львович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Филимонов Юрий Александрович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН
Аннотация: 

В работе экспериментально исследуются эффекты возбуждения и распространения магнитостатических волн в касательно намагниченных микроволноводах шириной 5–15 мкм, изготовленных из пленки железоиттриевого граната толщиной 0.9 мкм с помощью фотолитографии и ионного травления, и имеющие интегрированные с волноводом микроантенны для возбуждения и приема магнитостатических волн. Обсуждаются вопросы влияния на характеристики магнитостатических волн ширины волновода, местоположения микроантенн, а также связи между паралельно расположенными микроволноводами. Показано, что расположение антенн на торцах волноводов может сопровождаться эффектом фильтрации: снижается эффективность возбуждения длинноволновой части спектра магнитостатических волн и ширинных мод волновода. Для волноводов различной ширины демонстрируется ухудшение характеристик магнитостатических волн при уменьшении ширины волновода, что связывается с сильным отклонением поперечного сечения волновода от прямоугольной формы вследствие несовершенства технологии изготовления. Показано, что для данной толщины железоиттриевого граната ширина волновода ~ 15 мкм обеспечивает оптимальное перекрытие спектров магнитостатических волн в ортогональных волноводах за счет анизотропии формы. Показано также, что эффективность перекачки энергии магнитостатических волн из одного волновода в аналогичный волновод, расположенный паралельно первому на расстоянии порядка ширины волновода, может составлять ~ -10–15 дБ. Полученные результаты представляют интерес с точки зрения оптимизации волноведущих систем для целей магноники на пути их миниатюризации.

Ключевые слова: 
магнитостатические волны
железоиттриевый гранат
микроволноводы ограниченной ширины
микроантенны для магнитостатических волн
характеристики передачи и отражения
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-19-01673).
Список источников: 
  1. Mahmoud A., Ciubotaru F., Vanderveken F., Chumak A. V., Hamdioui S., Adelmann C., Cotofana S. Introduction to spin wave computing // J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128. 161101. https://doi.org/10.1063/5.0019328
  2. Kruglyak V. V., Demokritov S. O., Grundler D. Magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43. 264001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264001
  3. Никитов С. А., Калябин Д. В., Лисенков И. В., Славин А. Н., Барабаненков Ю. Н., Осокин С. А., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Сахаров В. К., Павлов Е. С. Магноника – новое направление спинтроники и спин-волновой электроники // УФН. 2015. Т. 185. С. 1099–1128. https://doi.org/10.3367/UFNr.0185.201510m.1099
  4. Chumak A. V., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Phys. 2015. Vol. 11. P. 453–461. https://doi.org/10.1038/nphys3347
  5. Chumak A. V., Schultheiss H. Magnonics : Spin waves connecting charges, spins and photons // J. Phys. D : Appl. Phys. 2017. Vol. 50. 300201. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa7715
  6. Csaba G., Papp Á., Porod W. Perspectives of using spin waves for computing and signal processing // Phys. Lett. A. 2017. Vol. 381, iss. 17. P. 1471–1476. https://doi. org/10.1016/j.physleta.2017.02.042
  7. Khitun A., Wang K. Nano scale computational architectures with spin wave bus // Superlattices & Microstructures. 2005. Vol. 38. P. 184–200. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2005.07.001
  8. Kostylev M. P., Serga A. A., Schneider T., Leven B., Hillebrands B. Spin-wave logical gates // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87. 153501. https://doi.org/10.1063/1.2089147
  9. Schneider T., Serga A. A., Leven B., Hillebrands B., Stamps R. L., Kostylev M. P. Realization of spin-wave logic gates // Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92. 022505. https://doi.org/10.1063/1.2834714
  10. Lee K.-S., Kim S.-K. Conceptual design of spin wave logic gates based on a Mach-Zehnder-type spin wave interferometer for universal logic functions // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 104. 053909. https://doi.org/10.1063/1.2975235
  11. Klingler S., Pirro P., Brächer T., Leven B., Hillebrands B., Chumak A. V. Design of a spin-wave majority gate employing mode selection // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105. P. 152410. https://doi.org/10.1063/1.4898042
  12. Klingler S., Pirro P., Brächer T., Leven B., Hillebrands B., Chumak A. V. Spin-wave logic devices based on isotropic forward volume magnetostatic waves // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106. 212406. https://doi.org/10.1063/1.4921850
  13. Fischer T., Kewenig M., Bozhko D. A., Serga A. A., Syvorotka I. I., Ciubotaru F., Adelmann C., Hillebrands B., Chumak A. V. Experimental prototype of a spin-wave majority gate // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110. 152401. https://doi.org/10.1063/1.4979840
  14. Хитун А. Г., Кожанов А. Е. Приборы магнонной логики // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия : Физика. 2017. Т. 17, вып. 4. С. 216–241. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2017-17-4-216-241
  15. Balynsky M., Kozhevnikov A., Khivintsev Y., Bhowmick T., Gutierrez D., Chiang H., Dudko G., Filimonov Y., Liu G., Jiang G., Balandin A. A., Lake R., Khitun A. Magnonic interferometric switch for multi-valued logic circuits // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 121. 024504. https://doi.org/10.1063/1.4973115
  16. Balynskiy M., Chiang H., Gutierrez D., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Reversible magnetic logic gates based on spin wave interference // J. Appl. Phys. 2018. Vol. 123. 144501. https://doi.org/10.1063/1.5011772
  17. Khitun A. Magnonic holographic devices for special type data processing // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. 164503. https://doi.org/10.1063/1.4802656
  18. Kozhevnikov A., Gertz F., Dudko G., Filimonov Y., Khitun A. Pattern recognition with magnonic holographic memory device // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106. 142409. https://doi.org/10.1063/1.4917507
  19. Gertz F., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Magnonic holographic memory // IEEE Trans. Magn. 2015. Vol. 51. P. 4002905. https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2362723
  20. Gutierrez D., Chiang H., Bhowmick T., Volodchenkov A. D., Ranjbar M., Liu G., Jiang C., Warren C., Khivintsev Y., Filimonov Y., Garay J., Lake R., Balandin A. A., Khitun A. Magnonic holographic imaging of magnetic microstructures // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 428. P. 348–356. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2016.12.022
  21. Khivintsev Y., Ranjbar M., Gutierrez D., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Prime factorization using magnonic holographic devices // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120. 123901. https://doi.org/10.1063/1.4962740
  22. Vogt K., Fradin F. Y., Pearson J. E., Sebastian T., Bader S. D., Hillebrands B., Hoffmann A. P., Schultheiss H. Realization of a spin-wave multiplexer // Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 3727. https://doi.org/10.1038/ncomms4727
  23. Davies C. S., Francis A., Sadovnikov A. V., Chertopalov S. V., Bryan M. T., Grishin S. V., Allwood D. A., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A., Kruglyak V. V. Towards gradedindex magnonics : Steering spin waves in magnonic networks // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92. 020408. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.020408
  24. Sadovnikov A. V., Davies C. S., Grishin S. V., Kruglyak V. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic beam splitter : The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106. 192406. https://doi.org/10.1063/1.4921206
  25. Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Directional multimode coupler for planar magnonics : Side-coupled magnetic stripes // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107. 202405. https://doi.org/10.1063/1.4936207
  26. Davies C. S., Sadovnikov A. V., Grishin S. V., Sharaevsky Y. P., Nikitov S. A., Kruglyak V. V. Field-controlled phase-rectified magnonic multiplexer // IEEE Trans. Magn. 2015. Vol. 51. 3401904. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2447010
  27. Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Odincov S. A., Sheshukova S. E., Sharaevskii Y. P., Stognij A. I., Nikitov S. A. Frequency selective tunable spin wave channeling in the magnonic network // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 108. P. 172411. https://doi.org/10.1063/1.4948381
  28. Sadovnikov A. V., Odintsov S. A., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Toward nonlinear magnonics : Intensity-dependent spin-wave switching in insulating side-coupled magnetic stripes // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96. P. 144428. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.144428
  29. Wang Q., Pirro P., Verba R., Slavin A., Hillebrands B., Chumak A. V. Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler // Science Advances. 2018. Vol. 4. e1701517. https://doi.org/10.1126/sciadv.1701517
  30. Heussner F., Nabinger M., Fischer T., Brächer T., Serga A. A., Hillebrands B., Pirro P. Frequency-division multiplexing in magnonic logic networks based on caustic-like spinwave beams // Phys. Status Solidi RRL. 2018. Vol. 12. 1800409. https://doi.org/10.1002/pssr.201800409
  31. Heussner F., Talmelli G., Geilen M., Heinz B., Brächer T., Meyer T., Ciubotaru F., Adelmann C., Yamamoto K., Serga A. A., Hillebrands B., Pirro P. Experimental realization of a passive gigahertz frequency-division demultiplexer for magnonic logic networks // Phys. Status Solidi RRL. 2020. Vol. 14. 1900695. https://doi.org/10.1002/pssr.201900695
  32. Balinskiy M., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Balandin A. A., Khitun A. A Spin-Wave Magnetometer with a Positive Feedback // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 514. 167046. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2020.167046
  33. Хивинцев Ю. В., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Филимонов Ю. А., Khitun A. Интерференция спиновых волн в решетках из микроволноводов на основе пленок железо-иттриевого граната // ЖТФ. 2019. Т. 89, вып. 11. С. 1712–1718. https://doi.org/10.21883/JTF.2019.11.48333.118-19
  34. Khivintsev Y. V., Kozhevnikov A. V., Dudko G. M., Sakharov V. K., Filimonov Y. A., Khitun A. G. Spin waves in YIGbased networks : Logic and signal processing // Physics of Metals and Metallography. 2019. Vol. 120, № 13. P. 76–82. https://doi.org/10.1134/S0031918X1913012X
  35. O’Keeffe T. W., Patterson R. W. Magnetostatic surface wave propagation in finite samples // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49. P. 4886–4895. https://doi.org/10.1063/1.325522
  36. Bajpai S. N. Excitation of magnetostatic surface waves : Effect of finite sample width // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 58, № 15. P. 910–911. https://doi.org/10.1063/1.336164
  37. Гречушкин К. В., Стальмахов А. В., Тюлюкин В. А. Волноводное распространение магнитостатических волн // Письма ЖТФ. 1988. Т. 14, вып. 21. С. 1973–1978.
  38. Сахаров В. К., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Филимонов Ю. А. Особенности распространения магнитостатических волн в микроволоноводах с изменяющейся шириной на основе пленок железоиттриевого граната // Гетеромагнитная микроэлектроника: сборник научных трудов / под ред. проф. А. В. Ляшенко. Саратов : Изд-во ОАО «Институт критических технологий», 2017. Вып. 23. С. 33–47.
  39. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М. : Физматлит, 1994. 464 с.
  40. Donahue M., Porter D. Object Oriented Micro Magnetic Framework (OOMMF) // Interagency Report NISTIR 6376. National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD, 1999. 897 p. (www.math.nist.gov/oommf/).
  41. Ganguly A. K., Webb D. C. Radiation resistance of microstrip excited magnetostatic surface waves // IEEE Trans. MTT. 1975. Vol. 23, № 12. P. 368–370. https://doi. org/10.1109/MWSYM.1975.1123398
  42. De Wames R. E., Wolfram T. Dipole-exchange spin waves in ferromagnetic films // J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41. P. 987–993. https://doi.org/10.1063/1.1659049
  43. Гуляев Ю. В., Бугаёв А. С., Зилдьберман П. Е., Игнатьев И. А., Коновалов А. Г., Луговской А. В., МедниковА. М., Нам Б. П., Николаев Е. И. Гигантские осцилляции прохождения квазиповерхностной спиновой волны через тонкую пленку железо-иттриевого граната (ЖИГ) // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 30, вып. 9. С. 600–603.
  44. Xing X.-J., Li S.-W., Huang X.-H., Wang Z.-G. Engineering spin-wave channels in submicrometer magnonic waveguides // AIP Advances. 2013. Vol. 3. 032144. https://doi.org/10.1063/1.4799738
  45. Sasaki H., Mikoshiba N. Directional coupling of magnetostatic surface waves in a layered structure of YIG films // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52. P. 3546–3552. https://doi.org/10.1063/1.329134
  46. Kalinikos B. A., Slavin A. N. Theory of dipole-exchange spin wave spectrum for ferromagnetic films with mixed exchange boundary conditions // J. Phys. C: Solid State Phys. 1986. Vol. 19. P. 7013–7033. https://doi.org/10.1088/0022-3719/19/35/014
Поступила в редакцию: 
09.12.2020
Принята к публикации: 
05.04.2021
Опубликована: 
31.08.2021
  • 1112 просмотров