Integration of permanent micromagnets in magnonic devices

This thesis work was carried out at Polifab, the micro- and nanotechnology center of Politecnico di Milano and deals with the optimization and integration of permanent micromagnets with magnonic conduits. The study was performed in the framework of the European M&MEMS project, which aims at combining the tunability of magnonic devices and the power efficiency of microelectromechanical systems (MEMS), thus paving the way to a new generation of devices in radio-frequency (RF) communication and microwave signal processing. First, the deposition and magnetic properties optimization of SmCo micromagnets is reported. Then, the integration process is described and finally a proof-of-concept device is proposed, where two micromagnets are symmetrically placed with respect to a CoFeB waveguide. Damon-Eshbach spin waves are excited and the effects of intensity attenuation generated by the magnets bias field are studied. This work constitutes a solid base for M&MEMS future developments. The first chapter presents an analysis of the state-of-the-art of permanent magnets, materials for magnonic conduits and the integration process, together with a brief overview of the main theoretical principles of ferromagnetism and spin waves. The second chapter, instead, contains a description of the experimental techniques and machines used during the work. The third and fourth chapters report, respectively, the process of deposition and magnetic properties optimization of the magnetic materials involved and the process of integration. Finally, in the fifth chapter the final device layout is presented, together with Micro-Brilluoin Light Scattering measurements on spin waves propagation.

Questo lavoro è stato realizzato presso Polifab, il centro di micro- e nanotecnologia del Politecnico di Milano e tratta il processo di ottimizzazione e integrazione di micromagneti permanenti con guide d’onda magnoniche. Questo studio fa parte del progetto Europeo M&MEMS, il cui scopo è quello di combinare la riconfigurabilità di dispositivi magnonici con l’efficienza energetica dei microelectromechanical systems (MEMS), aprendo quindi la strada verso una nuova generazione di dispositivi nel campo della comunicazione in radio frequenza e dell’elaborazione di segnali nelle microonde. Nelle pagine seguenti, è descritto il processo di realizzazione di un prototipo in cui dei micromagneti di SmCo sono posti in prossimità di condotti magnonici. Si è partiti dalla deposizione e ottimizzazione delle proprietà magnetiche dei micromagneti di SmCo, per poi passare al processo di integrazione e infine all’eccitazione di onde di spin di tipo Damon-Eshbach. L’effetto del campo generato dai magneti sull’intensità delle onde di spin è misurato tramite Micro-Brillouin Light Scattering. Questo lavoro costituisce una solida base per i futuri sviluppi di M&MEMS. Il primo capitolo presenta un’analisi dello stato dell’arte dei magneti permanenti, dei materiali per condotti magnonici e del processo di integrazione, insieme ad una breve panoramica sui principi teorici più importanti alla base del ferromagnetismo e delle onde di spin. Il secondo capitolo, invece, contiene una descrizione delle tecniche sperimentali e dei macchinari usati per lo svolgimento della tesi. Il terzo e il quarto capitolo riportano, rispettivamente, il processo di deposizione e ottimizzazione delle proprietà dei materiali magnetici e il processo di integrazione. Infine, il quinto capitolo presenta il design finale del dispositivo e i risultati delle misure di Micro-Brillouin Light Scattering.