Magnetoelectric coupling in KNN-CoFeB multilayer for magnonic phase-shifters

This thesis work, carried out in the Polifab laboratories of Politecnico di Milano, presents the development of multiple magnonic devices, which are based on a multilayer stack, with the particular focus on the interface between a CoFeB magnetic waveguide and a KNN piezoelectric substrate, considering different configurations and geometries. By actuating the KNN layer, the device’s goal is to harness the converse magnetoelectric coupling (MEC) between the piezoelectric layer and the magnetostrictive one. The strain induced on the waveguide leads to a deformation of the material, which allows for a change in the crystallographic landscape and therefore for a consequent change in the energy equilibrium configuration. This causes an alteration of the dispersion relations of the spin waves propagating in the waveguide, which are generated by means of radio-frequency (RF) antennas placed on top of the device, separated by an insulating layer to avoid direct contact between antennas and waveguide. Thanks to the investigation of two configurations of the RF antennas, the devices studied in this thesis work present distinct functionalities, giving the possibility to build a magnonic RF phase shifter and a signal modulator. The advantages presented by the aforementioned devices stand in the implementation of a lead-free piezoelectric layer instead of the commonly used PZT, and in the fact that the devices studied are voltagecontrolled, representing a much more energy efficient solution with respect to the more common solutions that are current-controlled. The results obtained in this dissertation represent a solid foundation upon which future developments and improvements, both from a simulation and from a fabrication point of view, can be started. Throughout the following work, the theoretical background related to the magnetoelectric coupling and propagating spin wave spectroscopy is first discussed. Furthermore, the fabrication of the device is described in detail, in its different generations, and its characterization and the results obtained are presented with their respective analysis.

Questa tesi, svoltasi all'interno dei laboratori contenuti nella sede del Polifab al Politecnico di Milano, presenta lo sviluppo di diversi dispositivi magnonici, che si basano su strutture multistrato, ponendo particolare attenzione sull'interfaccia tra una guida d'onda magnetica in CoFeB e un film sottile piezoelettrico di KNN, prendendo in considerazione diverse configurazioni e geometrie. Attuando il film di KNN, l'obiettivo dei dispositivi è il controllo dell'accoppiamento magnetoelettrico (MEC) tra strato magnetostrittivo e strato piezoelettrico. La deformazione indotta nella guida magnetica, causa una modifica cristallografica del materiale, e ad un conseguente cambio della configurazione energetica d'equilibrio. Questo fenomeno porta a un cambio delle relazioni di dispersione delle onde di spin che propagano nella guida, e che sono generate grazie all'utilizzo di antenne a radio-frequenza (RF) poste sui dispositivi e separate dalla guida grazie ad uno strato isolante. Grazie allo studio e alla fabbricazione di due configurazioni di antenne RF, i dispositivi studiati all'interno di questa tesi assumono diverse funzioni, creando la possibilità di implementare un prototipo di phase shifter e un modulatore di ampiezza. I vantaggi principali dati da questi dispositivi, risiedono nell'utilizzo di un materiale piezoelettrico come il KNN, senza piombo e quindi non tossico come il comunemente utilizzato PZT, e nel fatto che tali dispositivi sono controllati tramite potenziale elettrico, motivo per cui si possono considerare più efficienti dal punto di vista di consumo energetico rispetto a soluzioni in cui le operazioni sono controllate da impulsi di corrente. I risultati ottenuti in questo lavoro rappresentato una base solida da cui partire per migliorare ulteriormente i dispositivi, sia ottimizzando le simulazioni, sia perfezionando i processi di fabbricazione. Attraverso il testo presentato nel seguito, inizialmente viene presentato un background teorico su MEC e spettroscopia di onde di spin. Successivamente, viene riportata la fabbricazione nel dettaglio dei dispositivi, la loro caratterizzazione e l'analisi dei risultati sperimentali ottenuti durante le campagne di misura svolte.