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Relaxation und Spinwelleninstabilitäten in polykristallinen Ferromagneten

Hoeppe, Ulrich Ernst Ewald :
Relaxation und Spinwelleninstabilitäten in polykristallinen Ferromagneten.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Relaxation und Spinwelleninstabilitäten in polykristallinen Ferromagneten
Language: German
Abstract:

Polykristalline Ferromagnete sind ein wesentlicher Bestandteil nichtreziproker Mikrowellenbauteile. Die Durchlassdämpfung dieser Bauteile wird durch die Relaxation der uniformen Spinpräzession im Ferritmaterial bestimmt. Bei sehr hohen Mikrowellenleistungen können zudem nichtlineare Spinwellenprozesse auftreten, die die Durchlassdämpfung drastisch erhöhen. Die Schwellen für das Einsetzen dieser Instabilitäten - und damit die Leistungsfestigkeit des Materials - werden durch die Relaxation der beteiligten Spinwellen bestimmt. In dieser Arbeit wird der Einfluss der Mikrostruktur auf diese unterschiedlichen Relaxationsmechanismen systematisch untersucht. Im ersten, theoretischen Teil wird auf der Grundlage von 2-Magnonen-Streuprozessen ein Modell für die Relaxation der uniformen Mode und der Spinwellen entwickelt, das den Einfluss von Porosität bzw. Korngröße und Kristallanisotropie beschreibt. Insbesondere wird gezeigt, dass die Spinwellenlinienbreite nicht nur vom Betrag des Wellenvektors - wie in allen bisherigen Modellen angenommen - sondern auch von der Ausbreitungsrichtung der Spinwellen abhängt. Dies erklärt u.a. die unterschiedlichen Werte der bei verschiedenen Spinwelleninstabilitäten experimentell ermittelten Spinwellenlinienbreite. Im zweiten Teil der Arbeit werden Experimente zur Überprüfung der theoretischen Ergebnisse vorgestellt. Um den Einfluss von Porosität und Kornstruktur auf die Relaxation zu unterscheiden, wurden gezielt polykristalline Yttrium-Eisen-Granat-Proben hergestellt, bei denen Porosität, Porengröße und Korngröße reproduzierbar eingestellt werden konnten. Messungen der Resonanzlinienbreite, der sog. effektiven Linienbreite und der Spinwellenlinienbreite wurden bei verschiedenen Frequenzen durchgeführt. Dabei wurde insbesondere der unterschiedliche Einfluss von Porosität und Porengröße auf die Relaxation der uniformen Mode im Vergleich zur Spinwellenlinienbreite untersucht. Es zeigte sich, dass die experimentellen Ergebnisse den theoretischen Vorhersagen weitgehend entsprechen, wenn die inhomogene Feldverteilung innerhalb der polykristallinen Probe berücksichtigt wird: Porosität führt zu einer deutlichen Erhöhung der Relaxation der uniformen Mode, aber nicht zu einem Anstieg der Schwellen der Spinwelleninstabilitäten, während kleine Korngrößen diese Schwellen deutlich erhöhen, aber gleichzeitig die Relaxation der uniformen Mode kaum beeinflussen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Polycrystalline ferromagnets are essential for nonreciprocal microwave components. The insertion loss of such devices is mainly determined by the relaxation of the uniform precession mode. At high microwave power levels spin wave instabilities can occur, which result in a drastic increase of insertion loss. The thresholds for the onset of these instabilities is strongly correlated to the relaxation of the spin waves itself, described with the spin wave linewidth. Within this work the influence of microstructure on these relaxation processes is systematically investigated. In the first theoretical part a model for the relaxation of the uniform precession mode as well as spin wave modes in terms of two-magnon scattering processes is derived, which describes the influence of porosity respectively grain size and magneto crystalline anisotropy. Especially it is shown that the spin wave linewidth depends not only on the amount - as assumed in conventional models - but also on the direction of the wave vector, which results in different manifestations of this effect for different experimental configurations. A detailed explanation for this behaviour in terms of spin wave linewidth is presented. In the second part of this work experiments are presented, which were performed to prove the theoretical results. In order to distinguish between the influence of grainsize and porosity on relaxation processes polycrystalline Yttrium Iron Garnet samples have been prepared where porosity, poresize and grainsize are changed separately. Measurements of linewidth, effective linewidth and spinwave linewidth had been performed at different frequencies. Especially the different influence of porosity and pore size on the relaxation of uniform precession mode and spin wave modes was studied. Taking into account the microstructure induced inhomogeneous field distribution of the biasing field the theoretical results fit well to the experimental measurements: Porosity leads to a strong increase of losses of the uniform relaxation mode, but not to higher thresholds of the spin wave instabilities, whereas small grain sizes increase thresholds markedly but leave the relaxation of the uniform precession mode nearly unchanged.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000332
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3323
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Benner, Priv.-Doz. H. and Richter, Prof. Dr. A.
Advisors: Benner, Priv.-Doz. H.
Refereed: 14 May 2003
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/332
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