Vector Network Analyzer Ferromagnetic Resonance Study of Py Thin Films

Ferromagnetic resonance (FMR) measurement is an important experimental technique for the study of magnetic dynamics. We designed and set up the vector network analyzer ferromagnetic resonance (VNA-FMR) measurement system with home made coplanar waveguides (CPW). We examined 10-, 20-, 40-nm thick Py thin films to test the performance of the VNA-FMR measurement system. We measured S-parameter (transmission/reflection coefficient) of Py thin films on a CPW. Resonance frequency is investigated from 2.5 to 7 GHz for a field range from 0 to 490 Oe. The VNA-FMR data shows the resonance frequency increment when the external magnetic field increases. We also investigated Gilbert damping constant of Py thin film using resonance frequency (${\omega}_r$) and linewidth ($\Delta\omega$). After investigating dependence of thickness, we find that an decrease in S-parameter intensity as Py thin film thickness decreases. And the FMR results show that the effective saturation magnetization, $M_{eff}$, increase from 7.205($\pm$0.013) kOe to 7.840($\pm$0.014) kOe, while the film thickness varies from 10 to 40 nm.

Vector Network Analyzer를 이용한 Py 박막의 강자성공명연구

본 연구에서는 벡터 네트워크 분석기(vector network analyzer; VNA)와 코플라나 전송선(coplanar waveguide; CPW)을 이용한 강자성 공명 측정 방법을 개발하기 위해 두께가 각각 10, 20, 40 nm인 $Ni_{81}Fe_{19}$(Permalloy; Py) 합금 박막을 증착하여 측정하였다. 유리기판 위에 패터닝 작업을 거쳐 CPW를 형성하고 제작된 CPW 위에 Py 박막을 직접 올려놓아 시료의 반사/투과계수인 S-파라미터를 측정하였다. 외부자기장을 0 Oe에서 490 Oe까지 변화 시키며 측정해본 결과 Py 박막의 공명주파수는 2.5 GHz에서 7 GHz 범위 내에서 나타났으며 외부자기장의 세기가 커짐에 따라 공명주파수도 증가함을 확인하였다. S-파라미터를 분석하여 나온 공명주파수와 반치폭을 이용하여 포화자화량과 길버트 감쇠 상수를 구한 결과 Py 박막 40 nm에서 길버트 감쇠 상수 값 0.0124($\pm$0.0008)를 구했고 이는 선행 연구되었던 일반적인 강자성 공명 측정값과 일치함을 볼 수 있었다. 또한 두께별 의존도를 조사해본 결과 두께가 작아질수록 S-파라미터의 세기가 작아지는 것을 확인 할 수 있었으며, 강자성공명 분석 결과에서 Py 박막의 두께가 10 nm에서 40 nm까지 증가할 때 유효 포화 자화가 7.205($\pm$0.013) kOe에서 7.840($\pm$0.014) kOe로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.