Bachelor's Thesis

Design of the device for magnetodynamic characterization of magnetic materials and nanostructures

Final Thesis 3.68 MB

Author of thesis: Ing. Václav Roučka

Acad. year: 2018/2019

Supervisor: Ing. Igor Turčan, Ph.D.

Reviewer: Ing. Marek Vaňatka, Ph.D.

Abstract:

Further development of magnonics, the field of study dealing with the phenomenon of spin waves, is connected to the research of novel materials and structures with useful magnetodynamic properties. One of the possible experimental techniques used to quantify these properties is the measurement of ferromagnetic resonance using vector network analyzer. This experimental technique is being dealt with in the presented bachelor thesis. At the beginning we shortly introduce the theoretical foundations of magnetization dynamics and the propagation of electromagnetic waves in microwave circuits. Then we describe the individual devices of the experimental apparatus and its overall design. Function of the device is demonstrated on a measurement of ferromagnetic resonance of a permalloy sample. Acquired data is processed using the methods mentioned in this thesis and at the end we present the resulting magnetodynamic properties of permalloy.

Keywords:

Ferromagnetic resonance, vector network analyzer, S-parameters, dynamic susceptibility, magnonics

Date of defence

21.06.2019

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Vlivy parazitních signálů (např. niklu) na naměřená data.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Igor Turčan, Ph.D.

Bakalářská práce se zabývá návrhem zařízení pro měření magnetodynamických vlastností magnetických materiálů a nanostruktur. Skládá se ze dvou částí. V první části se autor věnuje experimentální sestavě. Zde se autor příkladně vypořádal se všemi překážkami týkající se celé sestavy jak z hardwarového, tak i softwarového pohledu. Ve druhé části student dokázal celou experimentální techniku využít k získání magnetodynamických parametrů. Oceňuji především studentovu schopnost zvládnutí celé metody feromagnetické rezonance nejen z technické stránky, ale zejména na úrovni intepretace naměřených dat. Propojení technického a analytického přístupu ve vysoce aktuálním a složitém tématu považuji za velmi zdařilé a na tak vysoké úrovni, že by bakalářská práce mohla konkurovat i většině diplomových prací. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím stupněm výborně – 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 A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Marek Vaňatka, Ph.D.

Práce studenta Václava Roučky se zabývá měřením feromagnetické rezonance magnetických materiálů pomocí VNA měření, což je perspektivní metoda s budoucím praktickým využitím. V následujícím textu okomentuju její jednotlivé kapitoly:
1.    V první kapitole je nejprve stručně, ale kvalitně vysvětlena problematika samotného fyzikálního jevu, poté text navazuje popisem šíření vln mikrovlnnými obvody a přechodem k veličinám měřených na VNA - tzv. S-parametry.
2.    Kapitola 2 popisuje experimentální sestavu, kterou student nejen využil k naměření dat, ale aktivně se také podílel na konstrukci hardwaru a automatizaci celé sestavy. Je zde také popsána funkce a kalibrace VNA, koplanární vlnovod použitý k excitaci feromagnetické rezonance a je zde popsán postup měření feromagnetické rezonance. Vytknout zde lze snad jen podoba převzatého obrázku 2.1, kdy měl student raději nakreslit svoje vlastní znázornění s více sugestivními barvami, protože fialová nepřipomíná ani zlatý, ani měděný vlnovod a magnetické vzorky nejsou zelené stejně jako použité substráty.
3.    V této práci je nejvýznamnější kapitola 3, kde autor popisuje a srovnává jednotlivé metody zpracování naměřených dat. Celá kapitola je sepsána přehledně a čitelně a autor čtenáře postupně provází odvozením vztahů pro výpočet dynamické susceptibility za použití průchodu a odrazu vln, pouze odrazu vln a také za použití výkonu. Kapitole mírně ubírá kvalitu chybějící odvození vztahů (3.9) a (3.10). Za zmínku stojí také rovnice (3.15), která k výpočtu permeability využívá propagační konstantu i koeficient odrazu, a měla by být také přímo využitelná pro výpočet dynamické susceptibility, což by bylo zajímavé porovnat. Na konci kapitoly je shrnutí, které na Obrázku 3.8 srovnává použité metody, ale zcela zde chybí susceptibilita chi^R vypočítaná pomocí koeficientů odrazu, která rovněž nebyla využita v kapitole 4.
4.    Kapitola 4 představuje fitování vypočtených dat a z obrázku 4.2 je patrné, proč je nejvhodnější použít susceptibilitu chi^g - fit je nejlepší. Základní získané parametry M_s a gamma se získají fitem pouze rezonančních frekvencí a nabízelo by se zde vyzkoušet pouze holá naměřená data - určit rezonanční frekvenci podle maxima v magnitudě signálu a srovnat jaký by to mělo vliv na výsledek. Obrázek 4.3 představuje průběh parametrů fitů a k výpočtu výsledku jsou použity pouze určité oblasti, které jsou zprůměrovány. Do budoucna by bylo vhodnější použít dvourozměrné fitování.
Zmíněné nedostatky nelze považovat za závažné a lze konstatovat, že zadání bylo splněno. Práce je navíc velmi zdařile stylisticky a formálně zpracována, obsahuje minimální počet gramatických chyb a překlepů. Z textu je patrné, že student vyvinul nadstandardní úsilí při pochopení a implementaci použitých výpočetních metod do prostředí MATLAB. Zmíněné nedostatky je třeba chápat spíše jako doporučení k dalšímu vývoji metody, protože práce rozsahem i kvalitou přesahuje požadavky kladené na bakalářské studenty a práci hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Použijte magnitudu měřeného signálu pro vyhodnocení a nafitování rezonančních frekvencí, srovnejte výsledek s již získanými konstantami. Okomentujte prosím použitelnost tohoto postupu.
  2. V podkapitole 3.1.1 tvrdíte, že popis je platný pouze tehdy, pokud je charakteristická impedance použitého vlnovodu stejná jako charakteristická impedance zbytku sestavu, tedy 50 Ohmů. Popište prosím jaký vliv by mělo vedení o jiné charakteristické impedanci na použitý model.
  3. Okomentujte prosím, proč mají fitované parametry tolik rozdílné hodnoty pro magnetická pole blízko nule.
Display more

Grade proposed by reviewer: A