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Matthias Johannes Küß

• Akustische Oberflächenwellen-Bandpassfilter werden seit vielen Jahren in Mobilfunkgeräten zur Trennung der Frequenzen in den Frontend-Modulen eingesetzt. Im einfachsten Fall besteht ein akustischer Oberflächenwellen-Bandpassfilter aus einem piezoelektrischen Kristall und zwei metallisierten Kammstrukturen. Auf sehr effiziente Weise können damit über den piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Waves, SAWs) in einem festgelegten Frequenzbereich angeregt und ausgelesen werden. Eine sehr nützliche Funktionalität - die Nichtreziprozität - hat sich bisher für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente noch nicht erfolgreich in Anwendungen integrieren lassen. Somit ist es nicht möglich akustische Oberflächenwellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, effizient zu trennen und beispielsweise akustische Dioden zu bauen. Im Gegensatz zu SAWs können Spinwellen (SWs) ein nichtreziprokes Verhalten aufweisen, da die Präzession der magnetischen Momente einenAkustische Oberflächenwellen-Bandpassfilter werden seit vielen Jahren in Mobilfunkgeräten zur Trennung der Frequenzen in den Frontend-Modulen eingesetzt. Im einfachsten Fall besteht ein akustischer Oberflächenwellen-Bandpassfilter aus einem piezoelektrischen Kristall und zwei metallisierten Kammstrukturen. Auf sehr effiziente Weise können damit über den piezoelektrischen Effekt akustische Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Waves, SAWs) in einem festgelegten Frequenzbereich angeregt und ausgelesen werden. Eine sehr nützliche Funktionalität - die Nichtreziprozität - hat sich bisher für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente noch nicht erfolgreich in Anwendungen integrieren lassen. Somit ist es nicht möglich akustische Oberflächenwellen, die in entgegengesetzte Richtungen laufen, effizient zu trennen und beispielsweise akustische Dioden zu bauen. Im Gegensatz zu SAWs können Spinwellen (SWs) ein nichtreziprokes Verhalten aufweisen, da die Präzession der magnetischen Momente einen festgelegten rechtshändigen Drehsinn beschreibt und so die Zeitumkehr gebrochen wird. In diesem Sinne folgt diese Arbeit der Idee, reziproke SAWs mit nichtreziproken SWs zu koppeln, um eine nichtreziproke Transmissionscharakteristik für akustische Oberflächenwellen-Bauelemente zu erzielen. Hierzu werden unterschiedliche magnetische Dünnschichtsysteme zwischen den beiden metallisierten Kammstrukturen auf den piezoelektrischen Substraten LiNbO3 und LiTaO3 abgeschieden. Grundsätzlich können SAWs SWs in magnetischen Dünnschichten aufgrund von magnetoelastischer Kopplung, aber auch den erst vor kurzem beschriebenen Mechanismen der Magneto-Rotation Kopplung und Spin-Rotation Kopplung anregen. Resonante Wechselwirkung ist möglich, falls sich die Dispersionen von SAW und SW im ungekoppelten Zustand überlagern. Dabei wird zum einen ausgenutzt, dass die magnetoakustische Anregung von SWs durch SAWs bereits nichtreziprok ist. Grund dafür ist die mögliche Fehlanpassung der Helizitäten von magnetoakustischem Treibefeld und Magnetisierungsdynamik. Dieser Effekt ist aufgrund von Magneto-Rotation Kopplung in Dünnschichten aus CoFeB(d) besonders ausgeprägt und wird zusätzlich für unterschiedliche SAW-Moden in Dünnschichten aus Ni(10 nm) untersucht. Zum anderen werden das erste Mal in der Magnetoakustik gezielt ferromagnetische Dünnschichtsysteme eingesetzt, die eine nichtreziproke Spinwellendispersion aufweisen. Hierzu werden die Schichtsysteme CoFeB(d)/Pt(3 nm) und NiFe(20 nm)/Au(5 nm)/CoFeB(5 nm) untersucht, deren nichtreziproke Spinwellendispersionen aus der Grenzflächen-Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung und magnetisch dipolaren Zwischenschichtkopplung resultieren. Aus der Kombination der nichtreziproken Anregung und nichtreziproken Spinwellendispersion ergibt sich eine stark nichtreziproke Transmissionscharakteristik für die gefertigten piezoelektrisch-ferromagnetischen Hybridstrukturen. Des Weiteren wird zur Interpretation der magnetoakustischen Transmissionsmessungen ein phänomenologisches Modell erarbeitet, das es erlaubt SWs und magnetische Parameter der magnetischen Dünnschichten zu charakterisieren. Mittels der neuen Methode der „magnetoakustischen SW-Spektroskopie" lassen sich beispielsweise gekoppelte SW-Moden in magnetischen Bilagen untersuchen und die effektiven Dzyaloshinskii-Moriya-Konstanten in magnetischen Dünnschichten bestimmen. Somit ist es künftig prinzipiell möglich magnetoakustische Dioden mit gewünschten Charakteristika zu designen.…
• Surface acoustic wave bandpass filters have been used in mobile phones for many years to separate the frequencies in the front-end modules. In the simplest case, a surface acoustic wave bandpass filter consists of a piezoelectric crystal and two metalized comb structures. In a very efficient way, surface acoustic waves (SAWs) can be excited and detected in a defined frequency range via the piezoelectric effect. A very useful functionality - the non-reciprocity - has not yet been successfully integrated into applications for SAW devices. It is therefore not possible to efficiently separate SAWs traveling in opposite directions and to build acoustic diodes, for instance. In contrast to SAWs, spin waves (SWs) can show a non-reciprocal behavior, since the precession of the magnetic moments describes a fixed right-handed sense of rotation, thus breaking the time-reversal. In this sense, this work follows the idea of coupling reciprocal SAWs with non-reciprocal SWs to achieve non-reciprocalSurface acoustic wave bandpass filters have been used in mobile phones for many years to separate the frequencies in the front-end modules. In the simplest case, a surface acoustic wave bandpass filter consists of a piezoelectric crystal and two metalized comb structures. In a very efficient way, surface acoustic waves (SAWs) can be excited and detected in a defined frequency range via the piezoelectric effect. A very useful functionality - the non-reciprocity - has not yet been successfully integrated into applications for SAW devices. It is therefore not possible to efficiently separate SAWs traveling in opposite directions and to build acoustic diodes, for instance. In contrast to SAWs, spin waves (SWs) can show a non-reciprocal behavior, since the precession of the magnetic moments describes a fixed right-handed sense of rotation, thus breaking the time-reversal. In this sense, this work follows the idea of coupling reciprocal SAWs with non-reciprocal SWs to achieve non-reciprocal transmission characteristics for surface acoustic wave devices. For this purpose, different magnetic thin-film systems are deposited between the two metalized comb structures on the piezoelectric substrates LiNbO3 and LiTaO3. Surface acoustic waves can excite SWs in the magnetic thin films due to magnetoelastic coupling, but also magneto-rotational coupling and spin-rotational coupling. Resonant interaction is possible if the dispersions of SAW and SW intersect in the uncoupled state. On the one hand, it will be shown that the magnetoacoustic excitation of SWs by SAWs is already non-reciprocal. The reason for this is the possible mismatch of the helicities of the magnetoacoustic driving field and magnetization dynamics. This effect is particularly pronounced in CoFeB(d) thin films due to magneto-rotational coupling and is also investigated for different SAW modes in Ni(10 nm) thin films. On the other hand, for the first time in magnetoacoustics, ferromagnetic thin-film systems are used that have a non-reciprocal spin wave dispersion. The thin-film systems CoFeB(d)/Pt(3 nm) and NiFe(20 nm)/Au(5 nm)/CoFeB(5 nm) are studied whose non-reciprocal spin wave dispersion results from the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction and interlayer magnetic-dipolar coupling. The combination of non-reciprocal magnetoacoustic excitation and non-reciprocal spin wave dispersion results in a strongly non-reciprocal transmission characteristic for the fabricated piezoelectric-ferromagnetic hybrid structures. Furthermore, a phenomenological model is developed for the interpretation of the magnetoacoustic transmission measurements, which allows for the characterization of SWs and magnetic parameters of magnetic thin films. Using the new method of "magnetoacoustic SW spectroscopy" it is possible, for example, to investigate coupled SW modes in magnetic bilayers and to determine the effective Dzyaloshinskii-Moriya constant in magnetic thin films. In principle, it will therefore become possible to design magnetoacoustic diodes with desired characteristics in the future.…