Magnetoelectric Coupling in KNN-CoFeB Membranes

This thesis presents the design, fabrication, and characterization of an innovative class of suspended magnonic devices relying on a multiferroic multilayer structure. The sys- tem operates through the converse magnetoelectric coupling (MEC) generated at the interface between a piezoelectric potassium sodium niobate (KNN) thin film and a mag- netostrictive CoFeB waveguide. The fundamental advancement of this work compared to previous geometries lies in two key architectural choices: the adoption of a significantly wider magnetic conduit (20 μm) and the realization of the entire device on a released membrane. By selectively removing the underlying silicon and silica layers, the mechan- ical clamping effect typical of rigid substrates is drastically reduced. This structural release enhances the strain transferred from the KNN actuator to the CoFeB waveg- uide upon electrical excitation. The resulting magnetoelastic effect modifies the magnetic free-energy landscape of the conduit, enabling direct modulation of the spin-wave dis- persion relation. Finite-element simulations predict a nearly uniform transverse strain of 58.3 ppm/V, while the experimentally extracted magnetoelectric coupling coefficient is approximately 0.74 mT/V. Spin-wave propagation is investigated using radio-frequency (RF) antennas, combining Vector Network Analyzer transmission measurements with Real-Time Spectrum Analyzer measurements. Static actuation yields phase-shifting effi- ciencies of 20.4◦/V at 9 GHz and 20.2◦/V at 10 GHz, corresponding to a phase excursion of approximately 480◦ at 24 V. Under RF piezoelectric actuation, modulation sidebands are observed around the spin-wave carrier, demonstrating dynamic transfer of the electrical excitation to the magnonic signal.

Questa tesi presenta la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di una classe innovativa di dispositivi magnonici sospesi basati su una struttura multistrato multi- ferroica. Il sistema opera mediante l’accoppiamento magnetoelettrico converso (MEC) generato all’interfaccia tra un film sottile piezoelettrico di niobato di potassio e sodio (KNN) e una guida d’onda magnetostrittiva in CoFeB. L’avanzamento fondamentale di questo lavoro rispetto alle geometrie precedenti risiede in due scelte architetturali princi- pali: l’adozione di un condotto magnetico significativamente più largo (20 μm) e la real- izzazione dell’intero dispositivo su una membrana rilasciata. Rimuovendo selettivamente gli strati sottostanti di silicio e silice, l’effetto di clamping meccanico tipico dei substrati rigidi viene drasticamente ridotto. Il rilascio strutturale migliora il trasferimento di defor- mazione dall’attuatore in KNN alla guida d’onda in CoFeB durante l’eccitazione elettrica. L’effetto magnetoelastico risultante modifica il paesaggio di energia libera magnetica del condotto, consentendo la modulazione diretta della relazione di dispersione delle onde di spin. Le simulazioni agli elementi finiti prevedono una deformazione trasversale quasi uniforme pari a 58.3 ppm/V, mentre il coefficiente di accoppiamento magnetoelettrico es- tratto sperimentalmente è circa 0.74 mT/V. La propagazione delle onde di spin è studiata mediante antenne a radiofrequenza (RF), combinando misure di trasmissione con Vector Network Analyzer e misure con Real-Time Spectrum Analyzer. L’attuazione statica pro- duce efficienze di sfasamento pari a 20.4◦/V a 9 GHz e 20.2◦/V a 10 GHz, corrispondenti a uno sfasamento di circa 480◦ a 24 V. Durante l’attuazione piezoelettrica RF vengono inoltre osservate sideband di modulazione attorno alla portante delle onde di spin, di- mostrando il trasferimento dinamico dell’eccitazione elettrica al segnale magnonico.