JP2015206641A - Ferromagnetic resonance measuring device - Google Patents

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慎吾 田丸
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均 久保田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device capable of measuring ferromagnetic resonance occurring on an extremely small magnetic material sample of a micron-to-nano-level size with a low S/N ratio.SOLUTION: A ferromagnetic resonance measuring device comprises: a microwave oscillator (1); branch unit (2) for branching a microwave into a first microwave and a second microwave; a first path where the first microwave is transmitted; a second path where the second microwave is transmitted; a waveguide (6) provided in the first path; a phase shifter (7) and an amplitude adjuster (8) which are provided in the second path; a coupler (9) for coupling the first microwave and the second microwave which are completely transmitted through the first path and the second path, respectively; external DC magnetic fields H(5a,5b); amplifier (10); and microwave detector (11). By placing a sample (S) in the middle of the waveguide (6) to which means of applying a low-frequency modulation magnetic field Hand means (15) of extracting only modulation frequency components of the low-frequency modulation magnetic field Hfrom an output signal of the detector are added, by applying a high-frequency modulation magnetic field Hinduced by the first microwave to the sample (S), and by sweeping the intensity of the external DC magnetic fields H(5a,5b), ferromagnetic resonance of a predetermined intensity His caused to occur on the sample (S).

Description

本発明は、例えば、直径φ=3μm、厚さ100nm、更には直径φ=200nm、厚さ5nmのようなミクロンからナノサイズレベルの極めて小さい磁性体材料(例えばパーマロイ(NiFe合金)、CoFeB合金))の強磁性共鳴(Ferromagnetic Resonance,FMR)を測定する装置に関する。   In the present invention, for example, a magnetic material having an extremely small micron to nano-size level (for example, permalloy (NiFe alloy), CoFeB alloy) such as a diameter φ = 3 μm, a thickness 100 nm, and a diameter φ = 200 nm, a thickness 5 nm. ) Ferromagnetic Resonance (FMR).

磁性体材料(試料)の強磁性共鳴を測定することはその磁性体材料の性質を知る有効な手段の一つとなる。最も一般的な試料形状である薄膜の場合、強磁性共鳴が起こる条件は、以下のキッテルの式
2πf=γ{(HB+HK)(HB+HK+4πMS)}1/2 (1)
で表される。上記式(1)において、
・fは強磁性共鳴周波数
・γはジャイロ磁気定数
・HBは外部直流磁場の強度
・MSは磁性体材料の飽和磁化
・HKは内部異方性磁場の強度
である。
Measuring the ferromagnetic resonance of a magnetic material (sample) is an effective means of knowing the properties of the magnetic material. In the case of a thin film having the most general sample shape, the conditions under which ferromagnetic resonance occurs are as follows: Kittel's equation 2πf = γ {(H B + H K ) (H B + H K + 4πM S )} 1/2 (1)
It is represented by In the above formula (1),
F is the ferromagnetic resonance frequency, γ is the gyromagnetic constant, H B is the strength of the external DC magnetic field, M S is the saturation magnetization of the magnetic material, and H K is the strength of the internal anisotropic magnetic field.

そのため、強磁性共鳴の測定は、例えば、従来型のハードディスク(HDD)、或いは、積極的に強磁性共鳴を利用した磁気記録技術(MAMR)において、磁気媒体や磁気ヘッドのための磁性体材料の開発に重要な手法である。
従来、強磁性共鳴を測定する装置としては、図6に示すような装置(非特許文献1のFIG.1やFIG.3参照)が使われた。このFIG.1の装置は、一番古いタイプの強磁性共鳴測定装置である。
この装置(図6参照)は、基本的には、マイクロ波発振器(1)、該発振器から出力されたマイクロ波が透過する導波路であって、ここに試料(S)を置くことによりマイクロ波により誘起された高周波磁場(HRF)が試料に印加される導波路(6)、試料(S)に外部直流磁場を印加する磁石(5a+5b)、該導波路(6)から出力されたマイクロ波を検出する検出器(11)からなる。導波路(6)に試料(S)を置き、外部直流磁場(HB)の強度を低から高へと掃引することにより試料(S)の強磁性共鳴を測定する。
Therefore, the measurement of the ferromagnetic resonance is, for example, in the conventional hard disk (HDD) or the magnetic recording technology (MAMR) that actively uses the ferromagnetic resonance of the magnetic material for the magnetic medium or the magnetic head. This is an important method for development.
Conventionally, as a device for measuring ferromagnetic resonance, a device as shown in FIG. 6 (see FIG. 1 and FIG. 3 of Non-Patent Document 1) has been used. The FIG. 1 apparatus is the oldest type of ferromagnetic resonance measuring apparatus.
This apparatus (see FIG. 6) is basically a microwave oscillator (1), a waveguide through which microwaves output from the oscillator pass, and a microwave is placed by placing a sample (S) therein. A waveguide (6) in which a high frequency magnetic field (H RF ) induced by the magnetic field is applied to the sample, a magnet (5a + 5b) for applying an external DC magnetic field to the sample (S), and a microwave output from the waveguide (6) It comprises a detector (11) for detecting. The sample (S) is placed in the waveguide (6), and the ferromagnetic resonance of the sample (S) is measured by sweeping the intensity of the external DC magnetic field (H B ) from low to high.

マイクロ波発振器(1)の出力P1と検出器(11)の出力P2との比(P2/P1)を透過係数“S21”と呼ぶ。マイクロ波が減衰せずにそのまま検出器まで伝搬した場合を“1“、マイクロ波伝送路(M)を遮断したときのS21を“0“と定義する。強磁性共鳴測定におけるS21の変化の様子を、縦軸をS21、横軸を外部直流磁場(HB)の強度とするグラフ(強磁性共鳴曲線)として図7に示す。強磁性共鳴が起きると、導波路(6)を透過するマイクロ波が試料(S)に吸収され、検出器(11)で検出されるマイクロ波の振幅、ひいてはS21が低下する。このためグラフに窪み(dip)ができる。従ってS21の変化を監視することにより、強磁性共鳴を測定することができる。窪み(dip)の中で最もS21が低い点における外部直流磁場(HB)の強度を特に“強磁性共鳴磁場(HR)”と呼ぶ。 The ratio (P2 / P1) between the output P1 of the microwave oscillator (1) and the output P2 of the detector (11) is called a transmission coefficient “S 21 ”. The case where the microwave propagates to the detector without being attenuated is defined as “1”, and S 21 when the microwave transmission path (M) is interrupted is defined as “0”. The state of a change in S 21 in the ferromagnetic resonance measurement shows the vertical axis in S 21, FIG. 7 as a graph (ferromagnetic resonance curve) for the horizontal axis and the intensity of the external DC magnetic field (H B). When ferromagnetic resonance occurs, microwaves transmitted through the waveguide (6) is absorbed by the sample (S), microwave amplitude detected by the detector (11), thus S 21 is reduced. This creates a dip in the graph. Thus by monitoring the change in S 21, it is possible to measure the ferromagnetic resonance. The intensity of the external DC magnetic field (H B ) at the point where S 21 is the lowest in the dip is called “ferromagnetic resonance magnetic field (H R )”.

この装置には、装置各部からの雑音(ノイズ)やドリフトを除去するため、外部直流磁場(HB)と共に低周波変調磁場(HLF)を試料に印加する手段と、検出器(11)の出力信号から前記低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段(15)としてのロックインアンプが備えられている。これにより、S21の微分を検出して(微分検出法)、図8のようなグラフを出力させる。このグラフが縦軸の“0“位置を横切るときの外部直流磁場(HB)の強度が“強磁性共鳴磁場(HR)”である。
最近では、マイクロ波発振器(1)と検出器(11)を内在し、P1とP2の比を振幅だけでなく位相も含めて計算した値、言い換えれば、複素数のS21を測定できるベクター・ネットワーク・アナライザ(Vector Network Analyzer,略称VNA)を使うことが多い。非特許文献1のFIG.3でもVNAが使われている。この装置(FIG.3)では電磁石は空芯のヘルムホルツコイルで、鉄芯を使った電磁石ではないので、外部直流磁場(HB)の強度は相当に弱い。変調コイルは無く微分法ではないので、VNAで直接S21を測定して、図7に示されるようなグラフを得ている。
This apparatus includes means for applying a low frequency modulation magnetic field (H LF ) together with an external DC magnetic field (H B ) to a sample and a detector (11) in order to remove noise and drift from each part of the apparatus. A lock-in amplifier is provided as means (15) for extracting only the modulation frequency component of the low-frequency modulation magnetic field (H LF ) from the output signal. Thereby, the differential of S 21 is detected (differential detection method), and a graph as shown in FIG. 8 is output. The intensity of the external DC magnetic field (H B ) when this graph crosses the “0” position on the vertical axis is “ferromagnetic resonance magnetic field (H R )”.
Recently, internalized and detector (11) the microwave oscillator (1), a value obtained by calculation including phase not only the amplitude ratio of P1 and P2, in other words, a vector network capable of measuring S 21 complex・ Analyzer (Vector Network Analyzer, abbreviated VNA) is often used. VNA is also used in FIG. 3 of Non-Patent Document 1. In this apparatus (FIG. 3), since the electromagnet is an air-core Helmholtz coil and not an electromagnet using an iron core, the intensity of the external DC magnetic field (H B ) is considerably weak. Since there is no modulation coil and it is not a differential method, S 21 is directly measured by VNA to obtain a graph as shown in FIG.

試料のサイズはますます小さくなってきており、今日の研究開発で特に興味ある試料サイズはマイクロからナノサイズレベルである。例えば、磁気記録では、情報単位を表す磁気ドメイン(ビットに相当)を小さくするほど、記録密度は向上し、記録容量が増大する。そのような微小な磁気ドメインを書き込み/読み出すための磁気ヘッドも、ドメインサイズに応じて小さくしなくてはならない。このような磁気ヘッドに埋め込まれる磁性体のサイズは極めて小さい。   Sample sizes are becoming smaller and the sample sizes that are of particular interest in today's research and development are on the micro to nano size level. For example, in magnetic recording, as the magnetic domain (corresponding to a bit) representing an information unit is reduced, the recording density is improved and the recording capacity is increased. A magnetic head for writing / reading such a small magnetic domain must also be reduced in accordance with the domain size. The size of the magnetic material embedded in such a magnetic head is extremely small.

しかし、そのように小さい試料になると、S21の変化は試料の体積に比例するので、検出したい信号は極めて小さくなってしまう。一方、強磁性共鳴を起こすためのマイクロ波の強度はそのままなので、(i)見たい信号S21の変化に比べて相対的に非常に大きなバックグラウンドがあり、その揺らぎに伴う雑音(トレースノイズ)が発生する、(ii)見たい信号S21を増幅しようとすると、重畳するバックグラウンドも一緒に増幅してしまい、増幅器が飽和してしまうため、信号の増幅ができない、等の理由のため、従来の装置(図6)では信号雑音比(S/N比)が低く、ミクロンからナノサイズレベルの極めて小さい試料の測定ができない。例えば、非特許文献1に示された測定装置の構成では、上記の理由によりS/N比が低いので、試料の寸法を大きくすることにより、測定に必要な強度の信号を得ている。非特許文献1の試料はNi80%Fe20%の合金で、大きさは縦1cm×横1cm×厚さ50nm又は100nmである(非特許文献1の第093909−2頁左欄中段参照)。 However, in such a small sample, since the change in S 21 is proportional to the volume of the sample, the signal to be detected becomes extremely small. On the other hand, the strength of the microwaves for causing ferromagnetic resonance of it, (i) desires to see there are relatively very large background compared to the change of the signal S 21, the noise accompanying the fluctuations (trace noise) There occurs, an attempt to amplify a signal S 21 wants to see (ii), the background to be superimposed even will be amplified together, because the amplifier is saturated and can not amplify the signal, for reasons like, The conventional apparatus (FIG. 6) has a low signal-to-noise ratio (S / N ratio), and it is not possible to measure a very small sample from the micron to the nano size level. For example, in the configuration of the measuring apparatus shown in Non-Patent Document 1, since the S / N ratio is low for the above-described reason, a signal having a strength necessary for measurement is obtained by increasing the size of the sample. The sample of Non-Patent Document 1 is an alloy of Ni 80% Fe 20%, and the size is 1 cm in length × 1 cm in width × 50 nm or 100 nm in thickness (see the middle column on page 093909-2 of Non-Patent Document 1).

そこで、本発明者らは、次に非特許文献2に開示された強磁性共鳴測定装置に注目した。この装置は入力されたマイクロ波を2経路に分け、それらを相殺的に干渉させる構造(干渉計、interferometer)を備えている点が特徴である。   Then, the present inventors paid attention to the ferromagnetic resonance measuring apparatus disclosed in Non-Patent Document 2. This apparatus is characterized in that it has a structure (interferometer) that divides the input microwave into two paths and makes them destructively interfere.

Sangita S. Kalarickal,et al,,JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 99, 093909 (2006)Sangita S. Kalarickal, et al ,, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 99, 093909 (2006) Hanqiao Zhang,et al.,REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 82, 054704 (2011)Hanqiao Zhang, et al., REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 82, 054704 (2011)

しかしながら、非特許文献2に開示された強磁性共鳴測定装置は、干渉計を用いているものの、本発明者らの研究によれば、以下の問題点のあることが分かった。
(1)干渉させるべくReference channel(非特許文献2中のFig.1参照、本発明でいう第2経路)を設けているが、その経路の位相を半波長ずらす手段が、金薄膜で作ったReference channelの長さである。しかし、そのReference channelの作成誤差があるので、当初測定条件として設計した周波数において、正確に位相を半波長ずらせることが困難であった。
(2)Reference channelに振幅調整する手段が無い為、干渉計の消光比が小さい。一般に干渉計の性能は、2つの信号を建設的に干渉(constructive interference)させた時の最大出力と、相殺的に干渉(destructive interference)させた時の最小出力の比として定義される消光比で表され、これが大きい程干渉計としての性能が優れている。非特許文献2の干渉計の消光比は、第054704−2頁右欄のFig.3のグラフから最大値を−30dB、最小値を−77dBと読み取ることができ、その差分として47dBとなる。これは干渉計としては性能が悪い。
(3)干渉計から出力された信号を増幅せず、そのままVNAで測定している。その為VNAの検出感度が低い。
(4)上記(1)〜(3)に挙げられた問題点の総合的結果として、強磁性共鳴測定におけるS/N比がまだ低い。試料はますます小さくなる傾向にあるので、更に高いS/N比が求められている。
However, although the ferromagnetic resonance measuring apparatus disclosed in Non-Patent Document 2 uses an interferometer, according to the study by the present inventors, it has been found that there are the following problems.
(1) A reference channel (see FIG. 1 in Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 2, second path in the present invention) is provided to cause interference, but the means for shifting the phase of the path by a half wavelength is made of a gold thin film. This is the length of the Reference channel. However, since there is an error in creating the reference channel, it is difficult to accurately shift the phase by half a wavelength at the frequency originally designed as the measurement condition.
(2) Since there is no means for adjusting the amplitude in the reference channel, the extinction ratio of the interferometer is small. In general, the performance of an interferometer is the extinction ratio defined as the ratio of the maximum output when two signals are constructively interfered to the minimum output when they are destructively interfered. The larger the value, the better the performance as an interferometer. The extinction ratio of the interferometer of Non-Patent Document 2 can be read as a maximum value of −30 dB and a minimum value as −77 dB from the graph of FIG. 3 on the right column of page 05744-2, and the difference is 47 dB. This has poor performance as an interferometer.
(3) The signal output from the interferometer is directly measured by the VNA without being amplified. Therefore, the detection sensitivity of VNA is low.
(4) As a comprehensive result of the problems listed in (1) to (3) above, the S / N ratio in the ferromagnetic resonance measurement is still low. Since samples tend to become smaller and smaller, higher S / N ratios are required.

本発明者らは、鋭意研究の結果、改良された干渉計と微分検出法を組み合わることにより、上記課題を解決し、より優れた性能を示す強磁性共鳴測定装置を発明した。
すなわち、本発明は、マイクロ波発振器、該発振器から出力されたマイクロ波を第1マイクロ波と第2マイクロ波に分ける分岐器、第1マイクロ波を伝送する第1経路、第2マイクロ波を伝送する第2経路、第1経路の途中に設けられた導波路、試料に外部直流磁場HBを印加する磁石、第1経路もしくは第2経路又はその両方に設けられた“n+0.5”波長、ただしnは整数、ずらせる位相シフタ、第1経路もしくは第2経路又はその両方に設けられた振幅調整器、第1経路を伝送した第1マイクロ波と第2経路を伝送した第2マイクロ波とを結合する結合器、該結合器から出力したマイクロ波を増幅する増幅器、及び前記増幅器から出力したマイクロ波を検出する検出器を有する装置であって、前記導波路の途中に配置された試料Sに、第1マイクロ波により誘起された高周波磁場HRFが印加され、前記外部直流磁場HBの強度を掃引することにより所定強度で試料Sに強磁性共鳴を起こさせる強磁性共鳴測定装置において、前記試料Sに低周波変調磁場HLFを印加する手段、及び前記検出器の出力信号から前記低周波変調磁場HLFの変調周波数成分だけを抽出する手段を付加したことを特徴とする。
また、本発明は、上記強磁性共鳴測定装置において、前記マイクロ波発振器に、基準信号源及びフェーズロックドループ回路を付加することにより、位相雑音を低減したマイクロ波を発振させ、該マイクロ波を前記分岐器に入力することを特徴とする。
また、本発明は、上記強磁性共鳴測定装置において、前記導波路が「複数の帯状導体箔を備えたコプレーナ導波路」であり、試料が中央の帯状導体箔に置かれることを特徴とする。
また、本発明は、上記強磁性共鳴測定装置において、60dB以上の消光比を有することを特徴とする。
As a result of earnest research, the present inventors have solved the above-mentioned problems by combining an improved interferometer and a differential detection method, and invented a ferromagnetic resonance measuring apparatus that exhibits superior performance.
That is, the present invention relates to a microwave oscillator, a branching device that divides the microwave output from the oscillator into a first microwave and a second microwave, a first path that transmits the first microwave, and a second microwave that is transmitted A second path, a waveguide provided in the middle of the first path, a magnet for applying an external DC magnetic field H B to the sample, an “n + 0.5” wavelength provided in the first path or the second path, or both, Where n is an integer, a phase shifter to be shifted, an amplitude adjuster provided in the first path or the second path or both, a first microwave transmitted through the first path, and a second microwave transmitted through the second path , A device for amplifying the microwave output from the coupler, and a detector for detecting the microwave output from the amplifier, the sample S being disposed in the middle of the waveguide In addition, 1 high frequency magnetic field H RF induced by microwaves are applied, the ferromagnetic resonance measurement device which causes the ferromagnetic resonance in the sample S at a predetermined intensity by sweeping the intensity of the external DC magnetic field H B, the sample S low frequency means for applying a modulated magnetic field H LF, and is characterized in that the addition means for extracting only the modulation frequency component of the low frequency modulation magnetic field H LF from the output signal of the detector.
Further, the present invention provides the above-described ferromagnetic resonance measuring apparatus, wherein a reference signal source and a phase-locked loop circuit are added to the microwave oscillator to oscillate a microwave with reduced phase noise, and the microwave is It is characterized by being input to a branching device.
In the ferromagnetic resonance measuring apparatus according to the present invention, the waveguide is a “coplanar waveguide including a plurality of strip-shaped conductor foils”, and the sample is placed on a central strip-shaped conductor foil.
Further, the present invention is characterized in that the ferromagnetic resonance measuring apparatus has an extinction ratio of 60 dB or more.

本発明によれば、試料サイズが小さい場合であっても上記課題が解決され、更に高いS/N比が実現される。   According to the present invention, even when the sample size is small, the above problems are solved, and a higher S / N ratio is realized.

本発明の強磁性共鳴測定装置の一実施例(実施例1)を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows one Example (Example 1) of the ferromagnetic resonance measuring apparatus of this invention. PLL回路等のブロック図である。It is a block diagram of a PLL circuit and the like. 本発明の強磁性共鳴測定装置の他の実施例(実施例2)を示したものであって、図1の実施例に、図2のPLL回路を付加した概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram showing another embodiment (embodiment 2) of the ferromagnetic resonance measuring apparatus of the present invention, in which the PLL circuit of FIG. 2 is added to the embodiment of FIG. 図3の装置に使用した導波路(3)を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows the waveguide (3) used for the apparatus of FIG. 図3の導波路(3)を説明する概念図であり、(a)はその平面図、(b)は平面図(a)におけるA−A’の位置で導波路(6)を切断したときの断面端面図である。It is a conceptual diagram explaining the waveguide (3) of FIG. 3, (a) is the top view, (b) is when the waveguide (6) is cut | disconnected in the position of AA 'in a top view (a). FIG. 従来の強磁性共鳴測定装置の構成を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the structure of the conventional ferromagnetic resonance measuring apparatus. 21の変化の様子を、縦軸をS21、横軸を外部直流磁場HBの強度として示したグラフ(強磁性共鳴曲線)により強磁性共鳴磁場HRを説明した図である。The state of a change in S 21, the vertical axis S 21, is a diagram for explaining a ferromagnetic resonance magnetic field H R graphically showing the horizontal axis as the intensity of the external DC magnetic field H B (ferromagnetic resonance curve). 21の微分(dS21/dHB)の変化の様子を、縦軸をdS21/dHB、横軸を外部直流磁場HBの強度として示したグラフ(強磁性共鳴曲線)により強磁性共鳴磁場HRを説明した図(微分検出法)である。Ferromagnetic resonance based on a graph (ferromagnetic resonance curve) showing the change of the derivative of S 21 (dS 21 / dH B ) with the vertical axis representing dS 21 / dH B and the horizontal axis representing the intensity of the external DC magnetic field H B is a diagram for explaining a magnetic field H R (differential detection method). 微分検出法による測定結果のグラフであり、(a)は本発明の実施例による測定結果のグラフ、(b)は従来の図6で示した装置による測定結果のグラフである。It is a graph of the measurement result by a differential detection method, (a) is a graph of the measurement result by the Example of this invention, (b) is a graph of the measurement result by the conventional apparatus shown in FIG. 本発明の実施例による測定結果のグラフであって、感度向上を示したグラフである。It is a graph of the measurement result by the Example of this invention, Comprising: It is the graph which showed the sensitivity improvement.

<実施例1>
本発明は、干渉計と微分検出法を組み合わることにより、優れた検出感度と高いS/N比を示す強磁性共鳴測定装置を提供するものである。
本発明の強磁性共鳴測定装置の一実施例を図1に示す。この装置は、マイクロ波発振器(1)、該発振器から出力されたマイクロ波Mを第1マイクロ波と第2マイクロ波に分ける分岐器(2)、第1マイクロ波を伝送する第1経路(3)、第2マイクロ波を伝送する第2経路(4)、第1経路(3)の途中に設けられた導波路(6)、試料(S)に外部直流磁場(HB)を印加する磁石(5a+5b)、第2経路(4)に設けられた半波長遅らせる位相シフタ(7)、第2経路(4)に設けられた振幅調整器(8)、第1経路(3)を伝送した第1マイクロ波と第2経路(4)を伝送した第2マイクロ波とを結合する結合器(9)、該結合器(9)から出力したマイクロ波を増幅する増幅器(10)、該増幅器から出力したマイクロ波を検出する検出器(11)、前記試料(S)に低周波変調磁場(HLF)を印加する手段、及び前記検出器(11)の出力信号から前記低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段(15)を備えている。
導波路(6)の途中に試料(S)を配置した場合、第1マイクロ波により誘起された高周波磁場(HRF)が試料に印加され、このとき、外部直流磁場(HB)の強度を掃引することにより所定強度で試料(S)に強磁性共鳴を起こさせることができる。
なお、この装置(図1参照)のうち干渉計部分については非特許文献2の教示に従ったものである。
<Example 1>
The present invention provides a ferromagnetic resonance measuring apparatus that exhibits excellent detection sensitivity and a high S / N ratio by combining an interferometer and a differential detection method.
An embodiment of the ferromagnetic resonance measuring apparatus of the present invention is shown in FIG. This apparatus includes a microwave oscillator (1), a branching unit (2) for dividing a microwave M output from the oscillator into a first microwave and a second microwave, and a first path (3) for transmitting the first microwave. ), A second path (4) for transmitting the second microwave, a waveguide (6) provided in the middle of the first path (3), and a magnet for applying an external DC magnetic field (H B ) to the sample (S) (5a + 5b), a half-wavelength phase shifter (7) provided in the second path (4), an amplitude adjuster (8) provided in the second path (4), and the first path (3) transmitted through the first path (3) A coupler (9) for combining one microwave and a second microwave transmitted through the second path (4), an amplifier (10) for amplifying the microwave output from the coupler (9), and an output from the amplifier or microwave detector for detecting (11), means for applying a low frequency modulation magnetic field (H LF) to the sample (S), and an output signal of the detector (11) Wherein comprising means (15) for extracting only the modulation frequency component of the low frequency modulation magnetic field (H LF).
When the sample (S) is arranged in the middle of the waveguide (6), the high frequency magnetic field (H RF ) induced by the first microwave is applied to the sample, and at this time, the intensity of the external DC magnetic field (H B ) is increased. By sweeping, ferromagnetic resonance can be caused in the sample (S) with a predetermined intensity.
Note that the interferometer portion of this apparatus (see FIG. 1) follows the teaching of Non-Patent Document 2.

第1経路(3)と第2経路(4)は、それぞれの経路を通った2つのマイクロ波を結合器(9)で結合させて「干渉」を起こさせており、従って、この構造は「干渉計」と呼ばれる。非特許文献2の干渉計の消光比は、前述の通り47dBである。それに対して、本発明の装置(図1参照)は、干渉計の構成が非特許文献2と異なり、位相シフタ(7)と振幅調整器(8)を有する。そのため、より精度の高い位相調整及び振幅調整ができるので、消光比は60dB以上と高い。
低周波変調磁場(HLF)を印加する手段及び前記検出器(11)の出力信号からHLFの変調周波数成分だけを抽出する手段(15)の役割は、非特許文献1におけるものと目的(役割)が異なる。非特許文献1の装置(FIG.1)では、ドリフトはそれ程大きくないが、マイクロ波発振器の信号レベルの揺らぎに伴うトレースノイズが非常に大きい。この問題解決のため、装置(FIG.1)では変調周波数成分だけを抽出する微分法を採用している。
それに対して、本発明(図1参照)では、第1マイクロ波と第2マイクロ波が相殺的干渉によって打ち消し合い検出器(11)に到達しないため、トレースノイズは極めて小さくなるが、干渉計を備えたが故の問題点、即ち、干渉計の調整ずれによるドリフトが相対的に非常に大きくなる。
この問題解決のため、本発明(図1参照)では、変調周波数成分だけを抽出する微分法を採用している。
In the first path (3) and the second path (4), two microwaves passing through the respective paths are coupled by a coupler (9) to cause "interference". It is called an “interferometer”. The extinction ratio of the interferometer of Non-Patent Document 2 is 47 dB as described above. In contrast, the apparatus of the present invention (see FIG. 1) has a phase shifter (7) and an amplitude adjuster (8) unlike the non-patent document 2 in the configuration of the interferometer. Therefore, since phase adjustment and amplitude adjustment can be performed with higher accuracy, the extinction ratio is as high as 60 dB or more.
The roles of means for applying a low frequency modulation magnetic field (H LF ) and means (15) for extracting only the modulation frequency component of H LF from the output signal of the detector (11) are the same as those described in Non-Patent Document 1. Role) is different. In the device of FIG. 1 (FIG. 1), the drift is not so great, but the trace noise accompanying the fluctuation of the signal level of the microwave oscillator is very large. In order to solve this problem, the apparatus (FIG. 1) employs a differential method that extracts only the modulation frequency component.
On the other hand, in the present invention (see FIG. 1), the first microwave and the second microwave cancel each other due to destructive interference and do not reach the detector (11). The problem due to the provision, that is, the drift due to the misalignment of the interferometer becomes relatively very large.
In order to solve this problem, the present invention (see FIG. 1) employs a differential method that extracts only the modulation frequency component.

<実施例2>
試料のサイズはますます小さくなる傾向にあるので、更に高いS/N比が求められている。そのため、マイクロ波発振器(1)に基準信号源及びフェーズロックドループ(PLL)回路(1a)を付加する(図2参照)ことが好ましい。これにより、位相雑音を低減したマイクロ波を発振させ、このマイクロ波を分岐器(2)に入力することにより、更に高いS/N比が実現される。
そこで、図1に示した強磁性共鳴測定装置(実施例1)に、図2に示したPLL回路を付加した装置を図3に示す。図3に示した強磁性共鳴測定装置(実施例2)は以下の通りである。
マイクロ波発振器(1)、該発振器から出力されたマイクロ波を第1マイクロ波と第2マイクロ波に分ける分岐器(2)、第1マイクロ波を伝送する第1経路(3)、第2マイクロ波を伝送する第2経路(4)、第1経路(3)の途中に設けられた導波路(6)、該導波路(6)の途中に配置される試料(S)に外部直流磁場(H)を印加する磁石(5a+5b)、第1経路(3)もしくは第2経路(4)又はその両方に設けられた“n+0.5”波長(nは整数)ずらせる位相シフタ(7)、第1経路(3)もしくは第2経路(4)又はその両方に設けられた振幅調整器(8)、第1経路(3)を伝送した第1マイクロ波と第2経路(4)を伝送した第2マイクロ波とを結合する結合器(9)、該結合器(9)から出力したマイクロ波を増幅する増幅器(10)、前記増幅器から出力したマイクロ波を検出する検出器(11)、前記試料(S)に低周波変調磁場(HLF)を印加する手段、及び前記検出器(11)の出力信号から前記低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段(15)を有する装置であって、前記導波路(6)の途中に試料(S)を配置した場合に、第1マイクロ波により誘起された高周波磁場(HRF)が試料(S)に印加され、このとき、前記外部直流磁場(HB)の強度を掃引することにより所定強度で試料(S)に強磁性共鳴を起こさせることができる強磁性共鳴測定装置において、前記マイクロ波発振器(1)に、基準信号源及びPLL回路(1a)を付加することにより、位相雑音を低減したマイクロ波Mを発振させ、該マイクロ波を前記分岐器(2)に入力し、これにより更に高いS/N比を実現したことを特徴とする。
<Example 2>
Since the sample size tends to become smaller and smaller, a higher S / N ratio is required. Therefore, it is preferable to add a reference signal source and a phase-locked loop (PLL) circuit (1a) to the microwave oscillator (1) (see FIG. 2). As a result, a microwave with reduced phase noise is oscillated and this microwave is input to the branching device (2), thereby realizing a higher S / N ratio.
FIG. 3 shows an apparatus obtained by adding the PLL circuit shown in FIG. 2 to the ferromagnetic resonance measuring apparatus (Example 1) shown in FIG. The ferromagnetic resonance measuring apparatus (Example 2) shown in FIG. 3 is as follows.
A microwave oscillator (1), a branching device (2) for dividing the microwave output from the oscillator into a first microwave and a second microwave, a first path (3) for transmitting the first microwave, a second microwave A second path (4) for transmitting a wave, a waveguide (6) provided in the middle of the first path (3), and an external direct current magnetic field (S) placed in the middle of the waveguide (6) ( H B ) magnet (5a + 5b), phase shifter (7) for shifting “n + 0.5” wavelength (n is an integer) provided in the first path (3), the second path (4) or both, The amplitude adjuster (8) provided in the first path (3) or the second path (4) or both, the first microwave transmitted through the first path (3), and the second path (4) were transmitted. A coupler (9) for coupling with the second microwave, an amplifier (10) for amplifying the microwave output from the coupler (9), and the microwave output from the amplifier Detector output (11), means for applying a low frequency modulation magnetic field (H LF) to the sample (S), and the modulation frequency of the low frequency modulation magnetic field (H LF) from the output signal of the detector (11) An apparatus having means (15) for extracting only the component, and when the sample (S) is arranged in the middle of the waveguide (6), the high frequency magnetic field (H RF ) induced by the first microwave is generated. In the ferromagnetic resonance measuring apparatus that can be applied to the sample (S), and at this time, the ferromagnetic resonance can be caused in the sample (S) at a predetermined intensity by sweeping the intensity of the external DC magnetic field (H B ). By adding a reference signal source and a PLL circuit (1a) to the microwave oscillator (1), the microwave M with reduced phase noise is oscillated, and the microwave is input to the branching device (2). As a result, an even higher S / N ratio is realized.

上記実施例1、2において、前記導波路(6)は「複数の帯状導体箔を備えたコプレーナ導波路」であり、試料が中央の帯状導体箔に置かれることが好ましい。
消光比は60dB以上(好ましく70dB以上特に80dB以上)である。
In the first and second embodiments, the waveguide (6) is “a coplanar waveguide including a plurality of strip-shaped conductor foils”, and it is preferable that the sample is placed on the central strip-shaped conductor foil.
The extinction ratio is 60 dB or more (preferably 70 dB or more, particularly 80 dB or more).

<測定装置の動作および測定方法の説明>
マイクロ波発振器(1)は、例えば1〜110GHzのマイクロ波を出力する。この出力の強度P1は、試料や導波路が熱の影響を受けない限り、高い方がS/N比のためには有利である。一般には、−20dBm〜+20dBm位の強度が用いられる。試料中で強磁性共鳴が起きなかった場合に、結合器(9)から出力されるマイクロ波の出力は、位相シフタ(7)及び振幅調整器(8)によって最小になるように調整される。これにより、干渉計の消光比を60dB以上にすることができる。
分岐器(2)としては、例えば、抵抗型パワーデバイダやウィルキンソン型パワーデバイダが使用される。
<Description of operation of measuring apparatus and measuring method>
The microwave oscillator (1) outputs a microwave of, for example, 1 to 110 GHz. A higher output strength P1 is advantageous for the S / N ratio as long as the sample and the waveguide are not affected by heat. In general, an intensity of about −20 dBm to +20 dBm is used. When ferromagnetic resonance does not occur in the sample, the output of the microwave output from the coupler (9) is adjusted to be minimized by the phase shifter (7) and the amplitude adjuster (8). Thereby, the extinction ratio of the interferometer can be set to 60 dB or more.
As the branching device (2), for example, a resistance type power divider or a Wilkinson type power divider is used.

導波路(6)としては、例えば、図4に示すようなコプレーナ導波路(共平面導波路)が使用される。このコプレーナ導波路は、入力側の高周波プローブ(6a)、3本の帯状導体箔(6b、6c、6d)及び出力側の高周波プローブ(6e)からなる。そのほか、マイクロストリップラインなどの導波路も使用される。
外部直流磁場(HB)を印加する磁石(5a+5b)としては、例えば、永久磁石又は電磁石が使用される。強度は例えば100〜30kOe位が適当である。HBを掃引する幅としては、試料にもよるが、例えば±10〜±30kOe位が適当である。
位相シフタ(7)としては、例えば、機械式位相シフタ、電子制御位相シフタなどが使用される。
振幅調整器(8)としては、例えば、機械式可変減衰器、電子制御可変減衰器などが使用される。
結合器(9)としては、例えば、抵抗型パワーデバイダやウィルキンソン型パワーデバイダなどを逆接続してパワーコンバイナとして使用される。
増幅器(8)としては、例えば低雑音増幅器などが使用される。
検出器(9)としては、例えば半導体ダイオードや高周波ミキサーなどが使用される。
マイクロ波伝送路(M)としては、例えば、50オームの同軸ケーブルが使用される。
As the waveguide (6), for example, a coplanar waveguide (coplanar waveguide) as shown in FIG. 4 is used. This coplanar waveguide is composed of an input-side high-frequency probe (6a), three strip-shaped conductor foils (6b, 6c, 6d) and an output-side high-frequency probe (6e). In addition, a waveguide such as a microstrip line is also used.
As the magnet (5a + 5b) for applying the external DC magnetic field (H B ), for example, a permanent magnet or an electromagnet is used. For example, the strength is suitably about 100 to 30 kOe. The width for sweeping H B is, for example, about ± 10 to ± 30 kOe, although it depends on the sample.
As the phase shifter (7), for example, a mechanical phase shifter, an electronically controlled phase shifter, or the like is used.
As the amplitude adjuster (8), for example, a mechanical variable attenuator or an electronically controlled variable attenuator is used.
As the coupler (9), for example, a resistive power divider, a Wilkinson power divider, or the like is reversely connected and used as a power combiner.
For example, a low noise amplifier is used as the amplifier (8).
As the detector (9), for example, a semiconductor diode or a high-frequency mixer is used.
For example, a 50 ohm coaxial cable is used as the microwave transmission path (M).

次にこの装置の動作について、説明する。
マイクロ波発振器(1)から強度P1のマイクロ波(高周波励起信号)が出力され、それはマイクロ波伝送路(M)を通って分岐器(2)に達し、分岐器(2)によって第1経路(3)の第1マイクロ波と第2経路(4)の第2マイクロ波に分けられる。
第1経路(3)では、第1マイクロ波が、従来の強磁性共鳴測定装置と同様に、導波路(6)を通って、結合器(9)に到達する。
他方、第2経路(4)では、第2マイクロ波が位相シフタ(7)、次に振幅調整器(8)を通って、結合器(9)に到達する。なお、場合によっては、位相シフタ(7)及び/又は振幅調整器(8)は第1経路(3)又は両方に設けても良い。
Next, the operation of this apparatus will be described.
A microwave (high frequency excitation signal) having an intensity P1 is output from the microwave oscillator (1), reaches the branching device (2) through the microwave transmission path (M), and the first path (2) by the branching device (2). It is divided into a first microwave of 3) and a second microwave of the second path (4).
In the first path (3), the first microwave passes through the waveguide (6) and reaches the coupler (9) as in the conventional ferromagnetic resonance measuring apparatus.
On the other hand, in the second path (4), the second microwave reaches the coupler (9) through the phase shifter (7) and then the amplitude adjuster (8). In some cases, the phase shifter (7) and / or the amplitude adjuster (8) may be provided in the first path (3) or both.

結合器(9)はこれら2つの経路から入力されたマイクロ波の和を出力する。この際、試料(S)中で強磁性共鳴が起きていない状態で第1経路を伝搬する第1マイクロ波に対し、第2経路を伝搬する第2マイクロ波の位相を位相シフタ(7)で“n+0.5”波長(nは整数)ずらす。これにより、第1マイクロ波に対し、第2マイクロ波は位相がちょうど180度反転した状態となる。また、振幅調整器(8)により、第1マイクロ波と第2マイクロ波が同じ振幅を持つように調整する。これにより、試料(S)中で強磁性共鳴が起きていない状態で、結合器(9)に到達した第1マイクロ波と第2マイクロ波が相殺的干渉を起こし、結合器(9)が出力するマイクロ波の出力が最小になる。
この状態で外部直流磁場(HB)の強度を小から大へと掃引すると、所定強度即ち“強磁性共鳴磁場(HR)”のときに、共鳴条件が満たされる。すると、試料(S)内で強磁性共鳴が起こり、そのため第1経路(3)を伝搬する第1マイクロ波が試料(S)に吸収される。その結果、第1マイクロ波と第2マイクロ波の間のバランスが崩れ、強磁性共鳴による第1マイクロ波の変化分が結合器(9)の出力信号に現れる。
The coupler (9) outputs the sum of the microwaves input from these two paths. At this time, the phase of the second microwave propagating through the second path is changed by the phase shifter (7) with respect to the first microwave propagating through the first path in the state where no ferromagnetic resonance occurs in the sample (S). Shift "n + 0.5" wavelength (n is an integer). As a result, the phase of the second microwave is just 180 degrees reversed with respect to the first microwave. Further, the amplitude adjuster (8) performs adjustment so that the first microwave and the second microwave have the same amplitude. As a result, in the state where no ferromagnetic resonance occurs in the sample (S), the first microwave and the second microwave that have reached the coupler (9) cause destructive interference, and the coupler (9) outputs. The output of microwave is minimized.
When the intensity of the external DC magnetic field (H B ) is swept from small to large in this state, the resonance condition is satisfied at a predetermined intensity, that is, “ferromagnetic resonance magnetic field (H R )”. Then, ferromagnetic resonance occurs in the sample (S), so that the first microwave propagating through the first path (3) is absorbed by the sample (S). As a result, the balance between the first microwave and the second microwave is lost, and the change in the first microwave due to ferromagnetic resonance appears in the output signal of the coupler (9).

この出力信号を増幅器(10)で増幅して、マイクロ波検出器(11)に送る。すると、マイクロ波検出器(11)によってマイクロ波強度P2が出力される。
入力P1と出力P2の比(P2/P1)から透過係数S21を求める。好ましい実施例では、VNAに、PLL回路によって安定化されたマイクロ波発振器を付加し、VNAのポート1からマイクロ波(高周波励起信号)が出力されて分岐器(2)に入り、増幅器(10)で増幅されたマイクロ波がポート2に入る。そして、このVNA内で透過係数S21が求まる。
これにより、まだ強磁性共鳴が起きていない状態では、マイクロ波(高周波励起信号)がそれ自身によって相殺され、バックグラウンドが理論上ゼロになる。つまり、発振器(1)の事情で、マイクロ波(高周波励起信号)の強度が揺らいでも、その揺らぎ(バックグラウンドの揺らぎ)に伴うトレースノイズが原理的に消滅する。
This output signal is amplified by the amplifier (10) and sent to the microwave detector (11). Then, the microwave intensity P2 is output by the microwave detector (11).
The transmission coefficient S21 is obtained from the ratio (P2 / P1) between the input P1 and the output P2. In the preferred embodiment, a microwave oscillator stabilized by a PLL circuit is added to the VNA, a microwave (high frequency excitation signal) is output from the port 1 of the VNA, enters the branching device (2), and the amplifier (10). The microwave amplified in step 2 enters port 2. Then, the transmission coefficient S 21 is obtained in this VNA.
Thereby, in a state where ferromagnetic resonance has not yet occurred, the microwave (high frequency excitation signal) is canceled by itself, and the background becomes theoretically zero. That is, even if the intensity of the microwave (high-frequency excitation signal) fluctuates due to the situation of the oscillator (1), the trace noise associated with the fluctuation (background fluctuation) disappears in principle.

また、強磁性共鳴が起きた時だけ、その共鳴に伴う強度吸収により、第1マイクロ波の振幅が減少し、それによって第2マイクロ波との間に振幅の差が生じ、その差分の信号が結合器(9)から出力される。この出力信号にはバックグラウンドが重畳していないため、増幅器(10)によって飽和することなく増幅することができる。
増幅することができることは、VNAの検出感度が上がったことと等価であり、これらの効果により、S/N比が向上する。
Also, only when the ferromagnetic resonance occurs, the amplitude of the first microwave decreases due to the intensity absorption accompanying the resonance, thereby causing a difference in amplitude between the second microwave and the difference signal. Output from the coupler (9). Since no background is superimposed on this output signal, it can be amplified by the amplifier (10) without being saturated.
Amplification is equivalent to an increase in VNA detection sensitivity, and the S / N ratio is improved by these effects.

本装置(図3)は、第1の特徴として、改良された干渉計を備え、第2の特徴として、改良された干渉計の問題解決のため、試料(S)に低周波変調磁場(HLF)を印加する手段と、前記検出器(11)の出力信号から低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段(15)を備えている。具体的には、前者の手段(低周波変調磁場(HLF)を印加する手段)として変調コイル(12)を使用し、後者の手段(15)としては、外部にロックインアンプを追加するか、又はVNAで測定されたS21をコンピュータ上で数値計算処理を施すことである。
信号源(14)で低周波(例えば10〜10kHz)の交流信号を発生させ、それを電流源(13)に送ることによって、低周波電流を変調コイル(12)に流し、低周波変調磁場(HLF)を外部直流磁場(HB)に重畳して試料(S)に印加する。この変調磁場(HLF)により、透過係数S21が変調周波数で振動する。この振動するS21を、検出器出力を外部に追加したロックインアンプに送ることにより、その変調周波数成分だけを取り出す。また、VNAを用いた場合は、VNAで取得したS21の変調周波数成分だけをフーリエ変換することにより取り出す。この信号処理により、図7に示されたS21曲線の微分が得られる(図8参照)。強磁性共鳴を反映する有意な信号は変調周波数の成分だけに集中し、その一方で干渉計のドリフトやその他の雑音は変調周波数以外の周波数成分に広がっている。そのため、ロックインアンプで変調周波数成分だけを増幅する事により、干渉計のドリフトやその他の雑音に伴う信号を効果的に除去し、興味ある強磁性共鳴信号だけを取り出すことができ、S/N比が飛躍的に向上する。
This apparatus (FIG. 3) includes an improved interferometer as a first feature, and as a second feature, a low frequency modulation magnetic field (H) is applied to a sample (S) to solve the problem of the improved interferometer. LF ) and means (15) for extracting only the modulation frequency component of the low-frequency modulation magnetic field (H LF ) from the output signal of the detector (11). Specifically, a modulation coil (12) is used as the former means (means for applying a low-frequency modulation magnetic field (H LF )), and a lock-in amplifier is added as the latter means (15). , or by performing numerical processing S 21 measured on the computer VNA.
A low-frequency (for example, 10 to 10 kHz) AC signal is generated by the signal source (14), and is sent to the current source (13). H LF ) is superimposed on the external DC magnetic field (H B ) and applied to the sample (S). This modulation magnetic field (H LF ) causes the transmission coefficient S 21 to oscillate at the modulation frequency. The S 21 to the vibration, by sending to the lock-in amplifier which adds the detector output to the outside, taking out only the modulated frequency component. In the case of using the VNA, taken by only the Fourier transform modulation frequency component of S 21 obtained in VNA. By this signal processing, the derivative of the S 21 curve shown in FIG. 7 is obtained (see FIG. 8). Significant signals reflecting ferromagnetic resonance are concentrated only in the modulation frequency component, while interferometer drift and other noise spread to frequency components other than the modulation frequency. Therefore, by amplifying only the modulation frequency component with the lock-in amplifier, it is possible to effectively remove the signal due to interferometer drift and other noises, and to extract only the ferromagnetic resonance signal of interest. The ratio is dramatically improved.

図1の装置では、第1経路(3)を通った第1マイクロ波と第2経路(4)を通った第2マイクロ波が相殺的に干渉し、その結果、結合器(9)から出力される信号は消光比60dB以上と大きくなる。しかしながら、干渉計はある特定の周波数のマイクロ波に対して、相殺的干渉を起こすように調整される。一方マイクロ波発信器(1)は、発振周波数が一定でなく、時間と共に揺らぐ(この周波数揺らぎは位相雑音として定量化される)。そのため、理想的に相殺的干渉させるべく第1経路(3)と第2経路(4)とを調整しても、実際にはマイクロ波発信器(1)の周波数揺らぎにより、有限のバックグラウンド信号が漏れてしまい、それが強磁性共鳴を反映する信号と重畳する。このマイクロ波発信器(1)の周波数揺らぎに伴うバックグラウンド信号の漏れ、すなわち消光比の揺らぎが、低周波変調磁場の周波数と同じである場合、干渉計から出てきたマイクロ波が、マイクロ波源の周波数揺らぎによるものなのか、それとも試料の強磁性共鳴に由来するものなのか区別できない。
この問題を解決するため、本実施形態は、第3の特徴として、図3に示すようにマイクロ波発振器(1)に基準信号源及びPLL回路(1a)を付加して発振周波数を安定化する。これにより位相雑音を低減したマイクロ波を発振させ、該マイクロ波を分岐器(2)に入力する。そのため、消光比が時間と共に揺らぐことが無くなり、一層S/N比が向上する。
In the apparatus of FIG. 1, the first microwave passing through the first path (3) and the second microwave passing through the second path (4) interfere with each other in a destructive manner, and as a result, output from the coupler (9). The signal to be transmitted becomes large with an extinction ratio of 60 dB or more. However, the interferometer is tuned to cause destructive interference for certain frequencies of microwaves. On the other hand, in the microwave transmitter (1), the oscillation frequency is not constant and fluctuates with time (this frequency fluctuation is quantified as phase noise). Therefore, even if the first path (3) and the second path (4) are adjusted in order to ideally cause destructive interference, a finite background signal is actually caused by the frequency fluctuation of the microwave transmitter (1). Leaks and superimposes with a signal reflecting the ferromagnetic resonance. When the leakage of the background signal due to the frequency fluctuation of the microwave transmitter (1), that is, the fluctuation of the extinction ratio is the same as the frequency of the low frequency modulation magnetic field, the microwave emitted from the interferometer is converted into the microwave source. It is not possible to distinguish whether it is due to the frequency fluctuation of the sample or due to the ferromagnetic resonance of the sample.
In order to solve this problem, as a third feature, the present embodiment stabilizes the oscillation frequency by adding a reference signal source and a PLL circuit (1a) to the microwave oscillator (1) as shown in FIG. . Thereby, a microwave with reduced phase noise is oscillated, and the microwave is input to the branching device (2). Therefore, the extinction ratio does not fluctuate with time, and the S / N ratio is further improved.

<測定結果1>
図3の実施例2の装置を用いて測定した測定結果を説明する。
ここでは、マイクロ波発振器(1)として、Gigatronics社(米国)製のマイクロ波シグナルジェネレータModel605を用い、周波数7.04GHz、出力6dBmのマイクロ波(高周波励起信号)を発生させた。この際、このマイクロ波ジェネレータをそのまま用いることはせず、10MHz基準信号源と外部PLL回路(図2参照)を追加した。この外部PLL回路は、ECL位相比較器、カットオフ周波数200Hzのローパスフィルタ、N=704に設定された1/Nカウンタを内包するInteger−Nタイプの構成である(因みにPLL回路には他にFractional−Nタイプがある。)。
このPLL回路によって生成された位相差を反映する信号を前述のマイクロ波シグナルジェネレータに送って周波数を微調整することにより、周波数を正確に10MHzの704倍で安定化させ、周波数揺らぎをおさえた。これにより、そのまま用いる場合に比べ、位相雑音が約5分の1に低減した。
基準信号源としては、Wenzel社(米国)製OCXO501-10295を使用した。
<Measurement result 1>
The measurement result measured using the apparatus of Example 2 of FIG. 3 is demonstrated.
Here, a microwave signal generator Model 605 manufactured by Gigatronics (USA) was used as the microwave oscillator (1), and a microwave (frequency excitation signal) having a frequency of 7.04 GHz and an output of 6 dBm was generated. At this time, the microwave generator was not used as it was, and a 10 MHz reference signal source and an external PLL circuit (see FIG. 2) were added. This external PLL circuit has an Integrer-N type configuration including an ECL phase comparator, a low-pass filter with a cut-off frequency of 200 Hz, and a 1 / N counter set to N = 704. -There are N types.)
A signal reflecting the phase difference generated by the PLL circuit was sent to the above-mentioned microwave signal generator to finely adjust the frequency, thereby stabilizing the frequency accurately at 704 times 10 MHz and suppressing the frequency fluctuation. As a result, the phase noise was reduced to about 1/5 compared with the case of using it as it is.
As a reference signal source, OCXO501-10295 manufactured by Wenzel (USA) was used.

検出器(11)として、Agilent Technologies社(米国)製のE8361C(PNAシリーズ ベクター・ネットワーク・アナライザ)に内包された高周波ミキサーを使用した。またこのVNAは、測定装置全体を制御するための信号(トリガー信号)の発生や、取得したS21データをコンピュータに送るなどの役割も担っている。
マイクロ波伝送路(M)として、50オームの同軸ケーブルを使用した。同軸ケーブルは、マイクロ波発振器(1)から検出器(11)までの各部品をつないでいる。
分岐器(2)としてはMini-Circuits社(米国)製抵抗型パワーデバイダZFRSC-183+を使用した。
A high-frequency mixer included in E8361C (PNA series vector network analyzer) manufactured by Agilent Technologies (USA) was used as the detector (11). The VNA also plays a role of generating a signal (trigger signal) for controlling the entire measuring apparatus and sending the acquired S21 data to a computer.
A 50 ohm coaxial cable was used as the microwave transmission line (M). The coaxial cable connects the components from the microwave oscillator (1) to the detector (11).
As the branching device (2), a resistor type power divider ZFRSC-183 + manufactured by Mini-Circuits (USA) was used.

導波路(6)と試料(S)は、図5に示すように一体形成した。まず、ガラス基板(6g)を用意し、その上に試料(S)として厚さ100nmのパーマロイ(Ni80%Fe20%合金)層をスパッタリング法で形成した後、フォトリソグラフィ&エッチングにて直径φ=3μmの形状に加工した。これによりパーマロイ試料(S)が形成された。その後、全体に厚さ540nmのアルミナ(Al23)層をスパッタリング法で形成し、その上に更に厚さ750nmの銅層をスパッタリング法で形成した。最後にその銅層をフォトリソグラフィ及びエッチングにより、3本の帯状(6b、6c、6d)に加工した。6bの帯の幅は6μmで、中央の6cの帯の幅は3μmで、6dの帯の幅は6μmである。外側の帯(6b、6d)はグランド(マイナス)である。
実際の測定では、高周波プローブ(6a)、(6e)を帯の両端に接触させ、片方の高周波プローブ(6a)から7.04GHzのマイクロ波を導波路(6)に流した。この時のマイクロ波の強度は0dBmであり、これは試料(S)に対して約19Oeの高周波磁場(HRF)を印加することに対応する。この高周波磁場により試料(S)の磁気モーメントが歳差運動を起こす。
The waveguide (6) and the sample (S) were integrally formed as shown in FIG. First, a glass substrate (6 g) is prepared, and a permalloy (Ni 80% Fe 20% alloy) layer having a thickness of 100 nm is formed thereon as a sample (S) by a sputtering method, and then a diameter φ = 3 μm by photolithography & etching. Processed into a shape. As a result, a permalloy sample (S) was formed. Thereafter, an alumina (Al 2 O 3 ) layer having a thickness of 540 nm was formed by a sputtering method, and a copper layer having a thickness of 750 nm was further formed thereon by a sputtering method. Finally, the copper layer was processed into three strips (6b, 6c, 6d) by photolithography and etching. The width of the band 6b is 6 μm, the width of the band 6c at the center is 3 μm, and the width of the band 6d is 6 μm. The outer bands (6b, 6d) are ground (minus).
In actual measurement, high frequency probes (6a) and (6e) were brought into contact with both ends of the band, and 7.04 GHz microwaves were passed through the waveguide (6) from one high frequency probe (6a). The intensity of the microwave at this time is 0 dBm, which corresponds to applying a high frequency magnetic field (H RF ) of about 19 Oe to the sample (S). This high frequency magnetic field causes precession of the magnetic moment of the sample (S).

試料(S)に外部直流磁場(HB)を印加する磁石(5a+5b)は、電磁石であり、その強度は0〜1.3kOeの間を掃引することが可能である。
この電磁石は変調コイル(12)を兼ねており、周波数28Hzの低周波変調磁場(HLF)を試料(S)に印加することができる。ここではHLFの強度を0.25Oeに設定して実験した。
位相シフタ(7)としてはARRA社(米国)製機械式位相シフタModel9426Aを使用した。これにより、第2マイクロ波の位相を半波長ずらすことができる。
結合器(9)としてはMarki社(米国)製ウィルキンソン型パワーデバイダPD-0140を逆接続で使用した。
結合器(9)に入力する前に第2マイクロ波の振幅を減じることにより、第1マイクロ波の振幅と第2マイクロ波の振幅を同一にする振幅調整器(8)としてはAdvanced Technical Materials社(米国)製機械式可変減衰器AV065-10を使用した。
結合器(9)から出力するマイクロ波の消光比を調べたところ、80dB以上と高い値を示した。
The magnet (5a + 5b) for applying an external DC magnetic field (H B ) to the sample (S) is an electromagnet, and its strength can be swept between 0 and 1.3 kOe.
This electromagnet also serves as a modulation coil (12), and a low frequency modulation magnetic field (H LF ) having a frequency of 28 Hz can be applied to the sample (S). This Experiment was conducted setting the intensity of H LF to 0.25Oe.
As the phase shifter (7), a mechanical phase shifter Model 9426A manufactured by ARRA (USA) was used. Thereby, the phase of the second microwave can be shifted by a half wavelength.
As the coupler (9), Markkin (USA) Wilkinson power divider PD-0140 was used in reverse connection.
As an amplitude adjuster (8) that makes the amplitude of the first microwave equal to the amplitude of the second microwave by reducing the amplitude of the second microwave before inputting to the coupler (9), Advanced Technical Materials Inc. A mechanical variable attenuator AV065-10 (USA) was used.
When the extinction ratio of the microwave output from the coupler (9) was examined, it showed a high value of 80 dB or more.

結合器(9)から出力したマイクロ波を増幅する増幅器(10)としてはB&Z Technologies社(米国)製低雑音増幅器BZ-00101600を使用した。
本発明の装置は、干渉計の問題解決のため、試料(S)に低周波変調磁場(HLF)を印加する手段と、検出器(11)の出力信号から低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段(15)を備える。
変調周波数を発生する信号源(14)としては、「株式会社エヌエフ回路設計ブロック」製信号発生器WF1974を用い、これによって発生させた28Hzの信号を、自作した電流源(13)に送る事により、変調コイル(12)に28Hzの電流を流し、変調磁場を発生させている。
なお、図3には、抽出する手段として「符号15」の部品が描かれ、何か現実の部品があるかのように見える。しかし、本実施例では、コンピュータの数値計算処理によりロックインアンプ(部品)と同等の機能を実現したので、ロックインアンプはない。
以上の条件で試料(S)の強磁性共鳴を測定(測定時間10分)した。この結果を図9(a)のグラフに示す。
縦軸はS21の微分(×10-4)で、横軸は外部直流磁場(HB)の強度(単位:エルステッドOe)である。これによれば、強磁性共鳴磁場(HR)は525Oeである。
比較のために第2経路(第2マイクロ波)を遮断し、また増幅器(10)を取り除いて従来の装置(図6)に相当する構成で同様の条件の下で強磁性共鳴を測定した。この結果を図9(b)に示す。
A low noise amplifier BZ-00101600 manufactured by B & Z Technologies (USA) was used as an amplifier (10) for amplifying the microwave output from the coupler (9).
The apparatus of the present invention, to solve the problem of the interferometer, the sample and the means for applying the low frequency modulation magnetic field (H LF) to (S), the low frequency modulation magnetic field from an output signal of the detector (11) (H LF) Means (15) for extracting only the modulation frequency component.
As a signal source (14) for generating a modulation frequency, a signal generator WF1974 manufactured by "NF Circuit Design Block Co., Ltd." is used, and a 28 Hz signal generated thereby is sent to a self-made current source (13). A current of 28 Hz is passed through the modulation coil (12) to generate a modulation magnetic field.
In FIG. 3, a part “15” is drawn as a means for extracting, and it looks as if there is any real part. However, in this embodiment, a function equivalent to that of the lock-in amplifier (component) is realized by the numerical calculation processing of the computer, so there is no lock-in amplifier.
The ferromagnetic resonance of the sample (S) was measured under the above conditions (measurement time 10 minutes). The result is shown in the graph of FIG.
The vertical axis represents the derivative of S 21 (× 10 −4 ), and the horizontal axis represents the intensity (unit: Oersted Oe) of the external DC magnetic field (H B ). According to this, the ferromagnetic resonance magnetic field (H R ) is 525 Oe.
For comparison, the second path (second microwave) was cut off, and the amplifier (10) was removed, and ferromagnetic resonance was measured under the same conditions with a configuration corresponding to the conventional apparatus (FIG. 6). The result is shown in FIG.

これにより明らかなように、実施例のデータ(a)は、S21が明瞭な強磁性共鳴信号を示すのに対して、従来の装置相当のデータ(b)は、同じ条件では雑音のため強磁性共鳴の信号が全く見えない。
これらの実験結果を定量的に比較すると、本実施例では従来の装置相当(図6)に比べ、強磁性共鳴の信号強度は約20倍、雑音レベルは約1/20になり、合計で約400倍のS/N比の向上(改善)が見られた。また、PLL回路(1a)等を付加しなかった装置(図1相当)に比べると、約4倍のS/N比の向上が見られた。
Thus, as is apparent, the data in Example (a), relative to indicate S 21 is clear ferromagnetic resonance signal, the conventional apparatus corresponding data (b) is strong because of noise in the same conditions No magnetic resonance signal is visible.
Comparing these experimental results quantitatively, in this embodiment, compared to the conventional apparatus (FIG. 6), the signal intensity of the ferromagnetic resonance is about 20 times and the noise level is about 1/20. An improvement (improvement) in the S / N ratio of 400 times was observed. In addition, the S / N ratio was improved by about 4 times as compared with the device without the PLL circuit (1a) or the like (corresponding to FIG. 1).

<測定結果2>
上記測定結果1と同じ図3の実施例2の装置で、より小さい試料を測定した。試料のサイズは直径φ=200nm、厚さ5nmである。試料その他の作成法は上記測定結果1と同じである。測定条件は、マイクロ波周波数を6.4GHz、変調磁場HLFの強度を13Oeとした。他の測定条件は上記測定結果1と同じである。
この試料について測定された結果を図10のグラフに示す。このような極めて微小な試料からも、明瞭な強磁性共鳴信号が観測できている。これは非特許文献2で用いられた試料のサイズ(0.24×5×0.07μm)の約1/500の体積であり、この結果から、本発明が強磁性共鳴の測定においてその感度を大幅に向上させたことが示される。
<Measurement result 2>
A smaller sample was measured with the apparatus of Example 2 in FIG. The sample has a diameter φ = 200 nm and a thickness of 5 nm. The preparation method of the sample and others is the same as the above measurement result 1. Measurement conditions were such that the microwave frequency 6.4 GHz, was 13Oe the intensity of the modulated magnetic field H LF. Other measurement conditions are the same as those of the measurement result 1.
The results measured for this sample are shown in the graph of FIG. A clear ferromagnetic resonance signal can be observed from such a very small sample. This is a volume of about 1/500 of the sample size (0.24 × 5 × 0.07 μm) used in Non-Patent Document 2. From this result, the present invention has improved its sensitivity in the measurement of ferromagnetic resonance. It shows a significant improvement.

本発明の装置は、マイクロからナノサイズレベルの極めて小さな磁性体材料の磁気特性例えば飽和磁化、異方性磁界などの評価に好適である。   The apparatus of the present invention is suitable for evaluation of magnetic properties such as saturation magnetization and anisotropy magnetic field of a very small magnetic material of micro to nano size level.

1・・・・マイクロ波発振器
1a・・・基準信号源及びフェーズロックドループ(PLL)回路
2・・・・分岐器
3・・・・第1経路
4・・・・第2経路
5a+5b・・・・外部直流磁場(HB)
6・・・・導波路
7・・・・位相シフタ
8・・・・振幅調整器
9・・・・結合器
10・・・増幅器
11・・・検出器
12・・・変調コイル
13・・・電流源
14・・・低周波交流信号の信号源
15・・・低周波変調磁場(HLF)の変調周波数成分だけを抽出する手段
M・・・・マイクロ波伝送路
S・・・・試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microwave oscillator 1a ... Reference signal source and phase locked loop (PLL) circuit 2 ... Branch device 3 ... First path 4 ... Second path 5a + 5b ...・ External DC magnetic field (H B )
6 ... Waveguide 7 ... Phase shifter 8 ... Amplitude adjuster 9 ... Coupler 10 ... Amplifier 11 ... Detector 12 ... Modulation coil 13 ... Current source 14 ··· Low-frequency AC signal source 15 ··· Means for extracting only the modulation frequency component of the low-frequency modulation magnetic field (H LF ) M · · · Microwave transmission line S ···

Claims (4)

マイクロ波発振器、該発振器から出力されたマイクロ波を第1マイクロ波と第2マイクロ波に分ける分岐器、第1マイクロ波を伝送する第1経路、第2マイクロ波を伝送する第2経路、第1経路の途中に設けられた導波路、試料に外部直流磁場HBを印加する磁石、第1経路もしくは第2経路又はその両方に設けられた“n+0.5”波長、ただしnは整数、ずらせる位相シフタ、第1経路もしくは第2経路又はその両方に設けられた振幅調整器、第1経路を伝送した第1マイクロ波と第2経路を伝送した第2マイクロ波とを結合する結合器、該結合器から出力したマイクロ波を増幅する増幅器、及び前記増幅器から出力したマイクロ波を検出する検出器を有する装置であって、
前記導波路の途中に配置された試料Sに、第1マイクロ波により誘起された高周波磁場HRFが印加され、前記外部直流磁場HBの強度を掃引することにより所定強度で試料Sに強磁性共鳴を起こさせる強磁性共鳴測定装置において、
前記試料Sに低周波変調磁場HLFを印加する手段、及び前記検出器の出力信号から前記低周波変調磁場HLFの変調周波数成分だけを抽出する手段を付加したことを特徴とする強磁性共鳴測定装置。
A microwave oscillator, a branching device that divides the microwave output from the oscillator into a first microwave and a second microwave, a first path for transmitting the first microwave, a second path for transmitting the second microwave, Waveguide provided in the middle of one path, magnet for applying an external DC magnetic field H B to the sample, “n + 0.5” wavelength provided in the first path or the second path, or both, where n is an integer, shift A phase shifter, an amplitude adjuster provided in the first path or the second path or both, a coupler for coupling the first microwave transmitted through the first path and the second microwave transmitted through the second path, An apparatus having an amplifier for amplifying the microwave output from the coupler, and a detector for detecting the microwave output from the amplifier,
A high frequency magnetic field H RF induced by the first microwave is applied to the sample S arranged in the middle of the waveguide, and the sample S is made ferromagnetic to the sample S with a predetermined intensity by sweeping the intensity of the external DC magnetic field H B. In a ferromagnetic resonance measuring apparatus that causes resonance,
Means for applying a low-frequency modulation field H LF to the sample S, and ferromagnetic resonance, characterized in that the addition means for extracting only the modulation frequency component of the low frequency modulation magnetic field H LF from the output signal of the detector measuring device.
請求項1記載の強磁性共鳴測定装置において、
前記マイクロ波発振器に、基準信号源及びフェーズロックドループ回路を付加することにより、位相雑音を低減したマイクロ波を発振させ、該マイクロ波を前記分岐器に入力することを特徴とする強磁性共鳴測定装置。
The ferromagnetic resonance measuring apparatus according to claim 1.
A ferromagnetic resonance measurement characterized by adding a reference signal source and a phase-locked loop circuit to the microwave oscillator to oscillate a microwave with reduced phase noise and inputting the microwave to the branching device. apparatus.
請求項1又は2記載の強磁性共鳴測定装置において、
前記導波路が「複数の帯状導体箔を備えたコプレーナ導波路」であり、試料が中央の帯状導体箔に置かれることを特徴とする強磁性共鳴測定装置。
The ferromagnetic resonance measuring apparatus according to claim 1 or 2,
2. The ferromagnetic resonance measuring apparatus according to claim 1, wherein the waveguide is a “coplanar waveguide having a plurality of strip-shaped conductor foils”, and a sample is placed on a central strip-shaped conductor foil.
請求項1又は2又は3記載の強磁性共鳴測定装置において、
60dB以上の消光比を有することを特徴とする強磁性共鳴測定装置。
In the ferromagnetic resonance measuring apparatus of Claim 1 or 2 or 3,
A ferromagnetic resonance measuring apparatus having an extinction ratio of 60 dB or more.
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