MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31633173
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a620.11
■1001  ▼aSri  Gyan,  Deepankar.
■24510▼aUltrafast  Nanoscale  Structural  Dynamics  in  Complex  Oxide  Thin  Films  and  Heterostructures:  Implications  on  Electrical  and  Magnetic  Phenomena
■260    ▼a[Sl]▼bThe  University  of  Wisconsin  -  Madison▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a181  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-04,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Evans,  Paul  G.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  University  of  Wisconsin  -  Madison,  2024.
■520    ▼aIn  complex  oxide  electronic  and  magnetic  materials,  the  interplay  between  microscopic  degrees  of  freedom-such  as  electrons,  spins,  orbitals,  and  the  lattice-plays  a  crucial  role  in  determining  their  equilibrium  physical  properties.  Femtosecond  optical  excitation  provides  a  powerful  means  to  perturb  one  or  more  of  these  degrees  of  freedom,  driving  the  system  into  non-equilibrium  states  and  enabling  the  dynamic  control  of  electronic  and  magnetic  behaviors  on  femto-  to  pico-second  timescales.  A  comprehensive  understanding  of  these  dynamics  is  essential  for  advancing  next-generation  technologies,  such  as  spintronics  and  optoelectronics.  My  dissertation  research  leverages  recent  advancements  in  ultrafast  x-ray  sources,  including  free-electron  lasers,  to  probe  the  structural  dynamics  of  materials,  shedding  light  on  the  underlying  mechanisms  that  govern  these  phenomena.  Specifically,  this  work  investigates  photoinduced  structural  responses  in  complex  oxide  heterostructures  using  time-resolved  x-ray  diffraction  techniques.The  first  part  of  this  dissertation  focuses  on  ultrafast  magnetization  dynamics  in  the  ferrimagnetic  thin  film  heterostructure  Pt/Gd3Fe5O12/Gd3Ga5O12  (Pt/GdIG/GGG),  which  has  potential  applications  in  spin-Seebeck  devices.  Time-resolved  optical  pump  x-ray  probe  technique,  combined  with  resonant  magnetic  diffraction,  was  employed  to  simultaneously  investigate  phonon  and  magnon  dynamics.  To  establish  a  foundation  for  understanding  the  dynamical  responses,  the  equilibrium  magnetization  configuration  in  the  heterostructure  was  first  characterized.  Resonant  diffraction  experiments  at  the  Gd  L2  resonance  edge,  paired  with  theoretical  calculations,  provided  insights  into  the  magnetic  anisotropy  and  equilibrium  magnetization  of  GdIG  thin  film.  In  the  optical  pump-x-ray  probe  experiment,  the  optical  absorption  induced  transient  heating  of  the  Pt  layer  leads  to  the  excitation  of  phonons  and  magnons  in  the  GdIG  layer.  A  detailed  investigation  of  phonon  propagation  within  the  Pt  layer,  along  with  the  thermal  transport  from  Pt  to  GdIG,  was  critical.  Acoustic  phonon  propagation  in  the  Pt  layer  was  further  explored  by  measuring  the  time-dependent  diffraction  pattern  from  the  Pt  layer,  revealing  parameters  such  as  acoustic  impedance,  mean  free  path,  and  the  Gruneisen  anharmonicity  parameter.  Thermal  modeling  with  the  measured  time-dependent  diffracted  intensity  from  Pt  quantified  the  interfacial  thermal  conductance  of  the  Pt/GdIG  interface.  Finally,  the  time-resolved  resonant  diffraction  experiment  captured  magnetization  dynamics  in  response  to  the  photoexcited  strain  pulses,  with  the  evidence  suggesting  the  excitation  of  a  non-dispersive  Gd  precessional  mode  as  well.  The  wavevector-resolved  experiments  also  probed  the  magnon-phonon  coupling  regime  in  the  GdIG.The  second  part  of  this  dissertation  examines  the  structural  dynamics  of  ferroelectric/dielectric  superlattices  following  optical  excitation  near  the  nominal  bandgap  of  the  constituent  layers.  Wavevector-  and  time-resolved  diffraction  experiments  on  a  PbTiO3/SrTiO3  (PTO/STO)  superlattice,  featuring  a  180°  stripe  domain  pattern,  uncovered  a  novel,  non-dispersive  ~1  THz  mode  that  was  not  predicted  by  elastic  modeling.  The  experimental  results,  combined  with  dynamical  phase  field  modeling  by  our  collaborators,  revealed  that  this  mode  is  associated  with  a  dynamical  transition  in  the  polar  texture  at  the  domain  boundary.  These  findings  demonstrate  the  existence  of  picosecond-scale  transitions  in  ferroelectric  thin  films  with  polar  textures  upon  optical  excitation.  Additional  experiments  on  a  monodomain  BaTiO3/CaTiO3  (BTO/CTO)  superlattice  thin  film  revealed  opposing  photoinduced  effects  in  the  component  layers:  polarization  enhancement  in  the  ferroelectric  BTO  layers  and  polarization  suppression  in  the  CTO  layers,  resulting  in  the  dynamical  compression  of  the  CTO  layers.  The  research  described  in  this  thesis  underscores  the  potential  of  ultrafast  x-ray  diffraction  techniques  to  uncover  complex  dynamic  phenomena  in  oxide  heterostructures.  It  lays  the  groundwork  for  future  studies  aimed  at  discovering  novel  non-equilibrium  modes  and  interactions.  These  methodologies  enable  experiments  that  can  probe  the  excitation  of  specific  phonon  or  magnon  modes  and  their  wavevector  dependence,  offering  deeper  insights  into  how  these  modes  propagate  and  influence  material  behavior.  Such  insights  will  be  instrumental  in  designing  future  experiments  to  explore  complex  phonon-phonon  or  magnon-phonon  hybridizations.
■590    ▼aSchool  code:  0262.
■650  4▼aMaterials  science
■650  4▼aEngineering
■653    ▼aFree  electron  laser  diffraction
■653    ▼aMagnons
■653    ▼aPhonons
■653    ▼aResonant  magnetic  diffraction
■653    ▼aUltrafast  structural  dynamics
■690    ▼a0794
■690    ▼a0537
■71020▼aThe  University  of  Wisconsin  -  Madison▼bMaterials  Science  and  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-04B.
■790    ▼a0262
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164624▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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