Rezultate obtinute 2024

In ultima etapa este pusa in evidenta interactiunea dintre campul magnetic cu undele acustice de suprafata prin intermediul unui material ferromagnetic in dispozitive de tip SAW si comportamentul structurilor SAW la temperature criogenice ca senzori magnetici.
In aceasta etapa s-au realizat urmatoarele obiective:

• Simularea comportamentului magnetic al dispozitivelor SAW pe ScAlN/Si la temperature criogenice;
• Fabricarea structurilor SAW pe ScAlN/Si pentru cuplajul SAW/SW si pentru senzor magnetic;
• Caracterizarea structurilor SAW pe ScAlN/Si (modurile de propagare Rayleigh si Sezawa) in camp magnetic la temperatura camerei si la temperaturi criogenice;
• Caracterizarea in camp magnetic a structurilor de senzori fabricate pe ScAlN/Si.

1. Simularea comportamentului in camp magnetic a dispozitivelor SAW pe ScAlN la temperaturi criogenice, ca senzori magnetici

In ultima etapa a proiectului simularea comportamentului a fost realizata la temperaturi criogenice, ca senzor magnetic, a dispozitivelor SAW fabricate pe ScAlN. Materialele folosite in simulare sunt Ni pentru fabricarea metalizarii, Sc0,3AlN0,7 ca material piezoelectric si substratul de Si. Din punct de vedere al geometriei, grosimea metalizarii este de 50 nm, materialul piezoelectric are o grosime de 0,8 μm iar cea de Si a fost aleasa de 15∙λ. Latimea electrodului din componenta IDT-ului a fost aleasa 170 nm. Simularea s-a facut pe modificarea modulului de elasticitate Young si fitarea rezultatelor cu cele de la temperatura camerei. Din simularea la temperatura camerei s-a determinat frecventa de rezonanta Rayleigh la 5,7272 GHz. La temperatura de 20 K din simulare s-a obtinut frecventa de resonanta de 5,7652 GHz. Din valorile identificate ale modului Young s-au ales valorile corespunzatoare pentru simularea la 20K. Astfel s-a putut determina variatia Δf/f in functie de campul magnetic aplicat, la temperatura de 20 K, pentru care s-a obtinut o valoare mai mare decat aceea pentru temperature camerei.

modul de rezonanta Rayleigh la temperatura camerei
modul de rezonanta Rayleigh la temperatura de 20K	Variatia df/f in functie de campul magnetic la 20K

2. Fabricarea structurilor SAW pe ScAlN pentru senzor magnetic si pentru cuplajul SAW/SW si punerea in evidenta a nereciprocitatii

In ultima etapa a proiectului au fost prevazute pentru fabricare trei loturi, structurile proiectate fiind utilizate fie ca senzori magnetici (cu lungimea de unda de 400 nm si de 680 nm), fie pentru cuplajul SAW/ unde de spin (spin wave - SW). Tehnologia de fabricare a fost similara celei utilizate in cadrul fazelor anterioare, pasii urmati fiind urmatorii: realizarea liniei CPW din Ti/Au, cu o grosime de 100 nm (10 nm Ti, 90 nm Au) printr-un proces de tip lift-off; fabricarea zonei interdigitale prin EBL, cu metalizare de Ti/Au, cu o grosime de 50 nm (5 nm Ti, 45 nm Au), utilizand tot un proces de tip lift-off; ingrosarea liniei CPW prin depunerea unui strat de Ti/Au cu o grosime de 250 nm (20 nm Ti, 230 nm Au), printr-un proces de tip lift-off; depunerea si configurarea stratului ferromagnetic, Ni, cu o grosime de 12nm, peste care a fost depus un strat subtire de Pt (3nm). Pentru loturile fabricate in aceasta etapa au fost utilizate plachete de Si de inalta rezistivitate (>10000 Ωcm) cu grosimea stratului de ScAlN de 830 nm.

Imagini optice ale structurilor SAW pe ScAlN

3. Caracterizarea structurilor SAW pe ScAlN/Si (modul de propagare Rayleigh) in camp magnetic; influenta metalului greu asupra nereciprocitatii structurilor SAW pe ScAlN/Si

S-au masurat parametrii S cu /fara camp magnetic aplicat μ0H, pentru evaluarea cuplajului, (absorbtie si nereciprocitate) SAW-SW, caracteristic structurilor cu un strat ferromagnetic (FM) intre IDTuri, atunci cand avem/nu avem metal greu depus pe FM.
S-au caracterizat trei structuri SAW pe ScAlN/Si cu doua porturi si strat de Ni/Pt (12/3 nm) (intre cele doua IDT-uri) cu wIDT=170nm, care au fost comparate acelasi tip de structura, care a fost caracterizat in etapa anterioara, dar avand ca strat magnetostrictiv Ni/Au. Scopul a fost acela de a observa variatia nereciprocitatii ΔS si μ0δHa_res in magnitudine, respectiv in campul magnetic de rezonanta, cu metalul greu ales.

Structurile SAW cu strat de Ni/Pt au fost analizate doar pentru modul Rayleigh, deoarece valoarea transmisiei acustice Sezawa, |S21TG|<-76dB, nu a fost acceptabila. Comparand structurile cu strat de Ni/Pt cu structura cu Ni/Au se poate observa ca absorbtia de la θ=45° a fost cu putin mai buna pentru structurile cu Ni/Pt, decat pentru structura cu Ni/Au; la fel si nereciprocitatea a fost un pic mai mare pentru structurile Ni/Pt, decat pentru structura cu Ni/Au.

Grafice asimetrice polare ale absorbtiei Δ|Sij|(sus) si ale variatiei fazei Δ|ϕij|(jos) in functie de campul magnetic μ0Ha si a unghiului θ pentru structura Ni/Pt la frecventa de rezonanta SAW fres=5.1 GHz. Zoom pentru μ0Ha∈[0, 0.2] T. Variatia nereciprocitatii in magnitudine ΔS− (II) si in camp magnetic μ0δHa res± (III) cu unghiul θ pentru patru structuri comparate.

Rezultate obtinute 2023
In aceasta etapa este pusa in evidenta interactiunea dintre campul magnetic cu undele acustice de suprafata prin intermediul unui material feromagnetic, in dispozitive de tip SAW.
Au fost realizate urmatoarele obiective:

• Simularea comportamentului magnetic al dispozitivelor SAW pe ScAlN/Si;

• Fabricarea structurilor SAW pe ScAlN/Si pentru cuplajul SAW/SW si pentru senzor magnetic;

• Caracterizarea structurilor SAW pe ScAlN/Si (modurile de propagare Rayleigh si Sezawa) in camp magnetic la temperatura camerei si la temperaturi criogenice;

• Caracterizarea in camp magnetic a structurilor de senzori fabricate pe ScAlN/Si

1. Simularea magnetostrictiva a dispozitivului SAW pe ScAlN la temperatura camerei

Au fost determinate valorile de strain si stres care apar in stratul de Ni la aplicarea campului magnetic. S-a calculat stresul mediu pe fiecare fata a metalizarii de nichel (domeniu feromagnetic) pentru fiecare element. In Figura 1 sunt prezentate distributiile de camp magnetic (a), distributiile deplasarilor (b) distributiile stresului von Mises (c), la valoarea de 7 mT si distribuitia deplasarilor pentru B = 294 mT (d).

Pe fiecare fata a domeniului ferromagnetic, s-a calculat valoarea medie a tensorului stres pentru fiecare directie.

2. Fabricarea structurilor SAW pentru senzor magnetic

Au fost proiectate si fabricate structuri SAW cu un singur port pentru utilizarea ca senzor magnetic. Aceste structuri au definite straturi feromagnetice plasate in apropierea IDT-ului avand diferite geometrii. Latimea digitilor pentru structurile SAW proiectate este de 170 nm, si respectiv de 100 nm. Procesul de fabricare a structurilor a constat in urmatorii pasi: realizarea liniei CPW din Ti/Au, cu o grosime de 100 nm (Ti/10nm, Au/90nm); fabricarea IDT-ului folosind EBL, depunerea unei metalizari Ti/Au, cu o grosime de 50 nm (Ti/5nm, Au/45nm) si configurarea IDT-ului printr-un proces de tip lift-off; ingrosarea liniei CPW prin depunerea unui strat de Ti/Au cu o grosime de 250 nm (Ti/20nm, Au/230nm) tot prin procesul de tip lift-off; depunerea si configurarea stratului feromagnetic de Ni, cu o grosime de 12 nm.

3. Caracterizarea structurilor SAW pe ScAlN/Si (modurile de propagare Rayleigh si Sezawa) in camp magnetic

S-au masurat parametrii S si s-a observat aparitia a doua moduri de propagare: primul este modul de propagare Rayleigh, la frecventa de rezonanta 4,67 GHz si modul de propagare Sezawa, la frecventa de 8,04GHz.
Cuplajul undelor de spin cu unda acustica SAW este evidentiat prin descresterea amplitudinii parametrilor de transmisie (S21, S12) (dB), denumita absorbtie, datorata transferului de energie de la unda SAW catre undele de spin. Acest cuplaj este maxim atunci cand unghiul dintre campul magnentic aplicat si directia de propagare a undei SAW este de 45°. In figura 3 se observa ca maximul absorbtiei in camp magnetic apare la -90mT pentru Rayleigh si are valoarea de 2,54dB. Pentru modul Sezawa maximul de absorbtie apare la un camp magnetic de -203mT si are o valoare de 7,24dB.

________________

Rezultate estimate

- Fabricarea si caracterizarea structurilor SAW pe ScAlN/Si, cu latimi/ spatieri digit/interdigit intre 80-170 nm, avand material magnetostrictiv, Ni si/sau CoFeB, de diferite grosimi (intre 10-45 nm) intre IDT-uri, cu frecvente de rezonananta Rayleigh in jur de 4 GHz;
- Analiza cuplajului SAW/SW la temperatura camerei si la temperaturi criogenice, la diferite unghiuri intre campul magnetic si directia de propagare a SAW-ului, pentru modurile de propagare Rayleigh si Sezawa. Este de asteptat obtinerea unui cuplaj mai mare decat cel raportat pentru alte tipuri de materiale;
- Analiza nereciprocitatii la temperatura camerei si la temperaturi criogenice, pentru structurile SAW realizate pe ScAlN/Si, pentru modurile Rayleigh si Sezawa;
- Simularea structurilor SAW pe ScAlN pentru senzori magnetici la temperature camerei si la temperaturi criogenice
- Caracterizarea ca senzor magnetic, la temperatura camerei si la temperaturi criogenice, a structurilor SAW cu un singur port avand Ni in compozitia IDT-urilor precum si straturi magnetice (Ni si/sau CoFeB) cu geometrii diferite in vecinatatea ariei active a IDT-ului;
- Trimiterea spre publicare a trei articole in reviste indexata ISI (Q1 and Q2) si a cinci lucrari la conferinta; trimiterea unei cerere de patent national; actualizarea paginii web