Lead-free magnetoelastic device for magnonic applications

This thesis focuses on the optimization, modeling, fabrication, and characterization of a magnetoelectric magnonic device. The device exploits the coupling between lead-free piezoelectric and ferromagnetic layers to modulate the propagation properties of spin waves in a magnetic conduit. This effect can be used as a phase shifter for RF signals. Potassium sodium niobate (KNN) was chosen as the piezoelectric material because of its promising properties, such as non-toxicity and high piezoelectric coefficients. For the magnetic layer, CoFeB was selected because of its magnetoelastic behavior and low Gilbert damping, which make it well suited for the intended application. The research in this thesis evaluates the ferroelectric, piezoelectric, and morphological properties of KNN, as a function of the alkali composition, to identify the electrical and topological characteristics best suited for an actuator component. An etching process was also developed to enable the patterning of KNN and facilitate its integration into future devices. For device design, finite-element simulations were implemented to explore the strain performance of various geometric configurations. The chosen layout was then fabricated and characterized. The proof-of-concept device demonstrated a phase shift of spin waves of approximately 6° per volt.

Questa tesi si concentra sull’ottimizzazione dei materiali, la modellazione, la fabbricazione, e la caratterizzazione di un dispositivo magnonico magnetoelettrico. Il dispositivo sfrutta l’accoppiamento tra uno strato piezoelettrico senza piombo e uno ferromagnetico per modulare le proprietà di propagazione delle onde di spin in un condotto magnetico. Tale effetto può essere utilizzato come sfasatore per segnali RF. Come materiale piezoelettrico è stato scelto il niobato di potassio e sodio (KNN) per via delle sue proprietà promettenti, come la non tossicità e i coefficienti piezoelettrici elevati. Come strato magnetico è stato adottato il CoFeB, per via del suo comportamento magnetoelastico e per il basso smorzamento di Gilbert, caratteristiche che lo rendono particolarmente adatto alla propagazione delle onde di spin. La ricerca presentata in questa tesi valuta le proprietà ferroelettriche, piezoelettriche e morfologiche del KNN, in funzione della composizione degli elementi alcalini, per individuare le caratteristiche elettriche e topologiche più idonee a un componente attuatore. È stato inoltre sviluppato un processo di attacco chimico per consentire il patterning del KNN e favorirne l’integrazione in dispositivi futuri. Per la progettazione del dispositivo proposto sono state eseguite simulazioni agli elementi finiti al fine di analizzare le prestazioni di diverse configurazioni geometriche. Il layout selezionato è stato quindi fabbricato e caratterizzato. Il dispositivo dimostrativo ha evidenziato uno sfasamento delle onde di spin di circa 6° per volt.