Master's Thesis

Fabrication and study of epitaxial NiO thin films and their antiferromagnetic domain structure

Final Thesis 1.45 MB

Author of thesis: Ing. Jakub Opršal

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Dr. Ing. Michal Staňo

Reviewer: Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Abstract:

Antiferromagnets have gained a lot of interest in recent years due to their spintronic applications. NiO is a well-known antiferromagnetic material. Its Néel temperature above room temperature makes it an ideal candidate for study of antiferromagnetic domains. Using reactive magnetron sputtering, NiO thin films are epitaxially grown on MgO (001) and sapphire (0001) substrates under different conditions to study the impact on crystal and antiferromagnetic domain structures. Magneto-optical birefringence imaging is used to observe T (twin) domains, providing an accessible alternative to X-ray linear magnetic dichroism. We developed a laser setup to perform all-optical control of antiferromagnetic domains

Keywords:

NiO, thin films, antiferromagnetic domain imaging, magneto-optical birefringence, domain control, epitaxial growth, crystal structure, laser pulses, all-optical control

Date of defence

11.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Báze a struktura MgO. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Dr. Ing. Michal Staňo

Bc. Jakub Opršal sepsal velmi dobrou práci, zvláště s přihlédnutím ke komplikacím, kterým čelil při dokončování předloženého textu. Zvládnul přípravu epitaxních vrstev NiO, jejich základní charakterizaci i pokus s ozařováním vrstev laserovým svazkem. Pro udělení hodnocení „výborně“ by však byla nutná vyšší vlastní iniciativa studenta a zejména větší rozsah experimentální práce. Například optimalizace depozičního tlaku, průtoku kyslíku, výkonu magnetronu. Případně použití kovových mezivrstev/substrátů nebo doplňková krystalografická měření (orientace vrstvy v rovině). Další možností by byla magnetometrie pro lepší představu o podílu nezoxidovaného (feromagnetického) Ni ve vrstvě; vliv silného magnetického pole na uspořádání strukturních (a antiferomagnetických) domén pro získání lépe definovaného stavu před ozařováním laserem.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita B
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 A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Mgr. Ondřej Caha, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá depozicí a charakterizací tenkých vrstev antiferomagnetického NiO s cílem provádět manipulaci antiferomagnetických domén pulsním laserem. K depozici bylo použito magnetronové naprašování a byla provedena optimalizace depozičních parametrů pro dosažení maximální strukturní kvality vrstev. Vzorky byly charakterizovány pomocí rtg rozptylu a magnetooptickým zobrazováním. V poslední části byl proveden experiment s

Diplomová práce Jakuba Opršala přináší dostatek nových a originálních výsledků. V práci jsem však nalezl několik nedostatků.

Na straně 28 a v obrázku 4.2 je difrakční pík na asi 64.5 stupně označen jako safír 20-25. Domnívám se, že se jedná o nesprávnou identifikaci. Podle všeho se jedná o difrakci na safíru 0009, která je obvykle zakázaná, ale na monokrystalu se může objevit slabá difrakce za určitých relativně běžných geometrických podmínek, třeba jako součet 11-2 12 a -1-123 nebo mnoha jiných kombinací. Safír je tedy nejspíš kvalitnější než prezentováno v práci.

Práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci a doporučuji ji k obhajobě.
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 A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V práci se používá dvojí označení pro orientaci magnetických momentů: Neélův vektor a antiferomagnetická osa. Je mezi nimi nějaký rozdíl, nebo jsou to jen různá pojmenování? Zároveň nerozumím faktu, že Neélův vektor v použité definici nemá daný směr, ale může směřovat oběma opačnými směry.
  2. Obrázek 1.3 ukazuje možná antiferomagnetická uspořádání, pokud jsou magnetické momenty v uzlech kubické prosté mřížky. Studovaný materiál NiO má lae niklové atomy v uzlech kubické plošně centrované. Jaká jsou možná antiferomagnetická uspořádání v fcc mříži?
  3. V části 1.2.2 je magnetické uspořádání NiO klasifikováno do T domén podle rovin {111} v nichž jsou shodně orientované momenty uspořádány a S-domén podle směr Neélova vektoru. Při popisu magnetostrikce není jasné zda je magnetostrikce shodná pro všechny S-domény v jedné T-doméně. Bylo by možné to objasnit?
  4. V jaké difrakci jsou provedeny rocking skeny v obrázku 4.6?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová