Bachelor's Thesis

Optical study of laser-induced magnetic phase transitions

Final Thesis 8.69 MB

Author of thesis: Ing. Alexander Velič

Acad. year: 2021/2022

Supervisor: M.Sc. Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Ph.D.

Reviewer: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Abstract:

To perform ultrafast storage of data based on magnetic materials, a new way of sub-picosecond magnetization is researched. Iron-Rhodium is suggested as convenient material which is capable of performing laser induced magnetization. Preparations for this experiment consists of sample growth using physical vapor deposition method of magnetron sputtering and subsequent sample characterization. Three samples were prepared, each with different concept of temperature tuning. Sample I is tuned via composition alteration ( Fe1xRhx ). Sample II deposition onto a sapphire substrate induced tensile in-plane stress. By carbon doping Iron-Rhodium thin film of sample III. The thin film samples are characterized by using vibrating sample magnetometry and optical microscopy. Vibrating sample magnetometry granted a way of recording field driven and more importantly thermally driven hysteresis curves. Measurements yielded precise values of phase transition temperatures for antiferromagnetic-to-ferromagnetic and ferromagnetic-to-antiferromagnetic were detetermined for samples I, II, and III to be 325.9 K and 306 K, 321 K and 291 K, and 311.8 K and 288 K, respectively. Characteristic values of magnetization saturation, coercive field, residual magnetization and temperature difference between phase transition temperatures were recorded. Custom code in combination with microscopy images offered an insightful information on surface region specific domain growth. Combining results of both methods granted a deeper understanding of ''how'' and ''when'' aforementioned magnetostructural phase transition takes affect. The ultrashort laser induced magnetization utilizes a custom laser set-up. The observation of irradiated Iron-Rhodium thin film using optical microscopy shows stable ferromagnetic domains in a laser path pattern. Thus concluding that Iron-Rhodium thin films are prepared, characterized by magnetometry as a function of temperature, and the ultrafast laser induced magnetization was successfully performed.

Keywords:

Data storing, Fe-Rh, magnetostructural phase transition, laser induced magnetization, pulse laser

Date of defence

15.06.2022

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno Důvod nižší odrazivosti antiferomagnetické fáze. Student na otázku odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

The bachelor thesis by Alexander Velič deals with the optical study of the laser-induced antiferromagnetic-to-ferromagnetic phase transition in FeRh films. A first goal was focused on the fabrication of FeRh samples with stable antiferromagnetic and ferromagnetic states at 300 K, such that the laser-induced magnetization writing could be permanent at room temperature. Mr Velič could not optimize the FeRh film growth himself due to the current lack of availability of this material. Instead, he analyzed in detail previously existing samples using magnetometry and optical microscopy, identifying the most suitable samples and obtaining interesting microscopy images that reveal phase domain growth in FeRh. It is worth mentioning that he additionally performed an extensive task in preparing magnetic multilayer samples via magnetron sputtering that could be employed by his colleague Jakub Opršal.

Furthemore, the student succesfully completed the second major task of investigating the effect of the ultrashort laser pulse illumination on FeRh films. For this purpose, he used an optical setup which he build together with his colleague Mr Opršal, making significant contributions and showing very good handling skills. Next, he succesfully verified that on-demand magnetization patterns can be written in the antiferromagnetic state of an FeRh film, performing post-illumination characterization with optical microscopy. The results show that the laser written patterns reveal non-trivial inhomogeneous magnetization states, which is an interesting preliminary result that will motivate follow up studies in order to better understand the laser-induced phase transition in FeRh.  

Even if I find that a few ideas are unnecessarily repeated in the introductory chapters of the thesis, the manuscript comprises a comprehensive introduction to the topic. The results are adequately described, with a discussion at a level of depth that is suitable for a bachelor thesis. The data analysis and representation of the figures is generally very good. On the other hand, the employed language level and the relatively numerous typos and mistakes in the text is unfortunately lowering the quality of the manuscript. While the manuscript presents some weaknesses and more attention should have been put to several details, I would like to value the very large amount of work done by Mr Velič, who was very persistent and motivated during the entire project. For all of the above and since all thesis objectives were accomplished by far, I would like to propose the mark “A”.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Bakalářská práce Alexandera Veliče se zabývá magnetickými fázovými přechody a možnostmi jejich vyvolání pomocí osvitu laserem. Práce je velice  dobře logicky uspořádaná a vcelku čtivě napsaná. Bohužel ale také obsahuje velké množství překlepů, drobných gramatických chyb a mnoho chybějících členů počitatelných podstatných jmen v jednotném čísle. Odkazy na obrázky, rovnice a tabulky jsou nekonzistentní a často pouze ve formě čísla bez specifikace druhu odkazu. Obrázky samotné jsou kvalitní, relevantní a dobře graficky zpracované. Jejich popisky jsou na druhou stranu příliš strohé a často nesamonosné. Prvních pět kapitol, které zahrnují teoretický úvod a popis experimentálních metod, pokrývá velké množství témat a jejich zpracování svědčí o dostatečné hloubce znalostí i širokém rozhledu autora. Experimentální část práce zahrnuje přípravu magnetických vrstev, jejich charakterizaci, stavbu optické sestavy s ultrarychlým laserem a její využití k řízenému přepínání magnetické fáze připravených vrstev. I zde je třeba ocenit komplexní přístup autora k tématu. V části zabývající se výrobou vzorků je popsáno mnoho výrobních parametrů a detailů o vzorcích, není však zřejmé odkud se vzaly nebo jak spolu souvisí či nesouvisí. U experimentů s laserovým osvitem není zřejmé, jaký vliv na fázovou přeměnu má polarizační stav světla, resp. jaká je motivace k jeho kontrole. Případné další využití snímků ukazujích opticky indukovanou změnu fáze je znemožněno dodatečnými úpravy jasu a kontrastu, které jsou bohužel popsány nejednoznačně a zmatečně. Přes výše uvedené nedostatky jde ale celkově o práci velmi dobrou a doporučuji ji tedy k obajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. V části 6.1 je diskutováno ladění teploty fázového přechodu FeRh různými metodami, není ale specifikován dosažitelný rozsah. Jak moc je tedy možné tuto teplotu ladit?
  2. V části 6.3 je popsán na míru programovaný kód pro vyčítání stupňů šedé ze snímků z optického mikroskopu. Programoval jste ho Vy? Pokud ano, nebylo by možné ho dodatečně zveřejnit na nějakém veřejném úložišti, aby ho mohli v budoucnu použít čtenáři této práce nebo obecně ostatní studenti a vědci?
  3. Příliš nerozumím Obr. 7.3: Jsou na něm dva pruhy a v textu se mluví o "rozdílně tmavých oblastech". Ty jsou ale přítomny i v rámci pruhů samotných. O kterých z nich je v textu řeč? Struktura uvnitř pruhů vypadá identicky, ale světlé a tmavé tečky na pruzích jsou očividně jiné. Co stojí za tímto efektem?
  4. Jak spolu v kontextu opticky indukované fázové změny souvisí velikost stopy laseru, jeho výkon, opakovací frekvence a energie jednoho pulsu? Které z těchto veličin mají zásadní vliv na vlastnosti přeměněných oblastí a které naopak ne?
Display more

Grade proposed by reviewer: B