Ανάπτυξη, δομικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός νανο-μετρικών διαστάσεων προηγμένων ετεροδομών για εφαρμογές ηλεκτρονικών διατάξεων μαγνονίων
Authors: Καρφαρίδης Δημήτριος 
Published: April 2021

Στο εισαγωγικό μέρος της διατριβής, παρουσιάζεται μια αναφορά στις μαγνητικές ιδιότητες της ύλης, ενώ δίδεται ιδιαίτερη έμφαση στο σιδηρομαγνητισμό, καθώς το βασικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε πειραματικά, ήταν ο Fe. Η αρχή λειτουργίας της σπιντρονικής εντοπίζεται στις ηλεκτρονιακές αλληλεπιδράσεις, που καθορίζουν τη μαγνήτιση των υλικών. Η σύνδεση της βασικής ηλεκτρονικής με τη σπιντρονική επιτυγχάνεται μέσω της δυναμικής του μαγνητισμού και τη διάδοση (ρεύμα) των κυμάτων spin. Για την παραγωγή ρευμάτων spin απαιτείται η διέγερση των διατεταγμένων μαγνητικών ροπών, που είναι δυνατό να επιτευχθεί μέσω του σιδηρομαγνητικού συντονισμού (FMR). Με σκοπό να αξιοποιηθούν τα κύματα spin (μαγνόνια) που δημιουργούνται στα μαγνητικά υλικά, απαιτείται η επαφή ενός μη-μαγνητικού (ΝΜ) ανιχνευτή ρευμάτων, όπου αντλούνται οι ροπές δια του φαινομένου spin-pumping (SP). Η φύση των NM υλικών έχει ως συνέπεια την εμφάνιση του αντιστρόφου φαινόμενο spin-Hall (ISHE), δημιουργώντας ένα ανιχνεύσιμο ρεύμα φόρτου στην επιφάνεια τους. Οι τελευταίες εξελίξεις στον τομέα της σπιντρονικής, με τη μελέτη λεπτών υμενίων μαγνητικών ετεροδομών, ανέδειξαν μια άμεση εξάρτηση των δυναμικών φαινομένων spin με τις δομικές ιδιότητες και τη μορφολογία των διεπιφανειών. Ακολουθώντας τις ενδείξεις της διεθνούς έρευνας, αναπτύχθηκε και μελετήθηκε κυρίως το σύστημα λεπτών υμενίων Fe/Pt. Για την ανάπτυξη των υμενίων χρησιμοποιήθηκε η επιταξία μοριακής δέσμης (ΜΒΕ) και εξάχνωσης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam), σε υποστρώματα MgO. Για το δομικό χαρακτηρισμό των ετεροδομών, συνδυάστηκαν σύγχρονες μέθοδοι, όπως η περίθλαση και ανακλαστικότητα ακτίνων–Χ (XRD και XRR), η φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων–Χ (XPS), και η ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ/HRTEM). Ο στατικός και δυναμικός μαγνητικός χαρακτηρισμός ολοκληρώθηκε με μαγνητομετρία μαγνητο-οπτικού φαινομένου Kerr (MOKE) και στατικού πεδίου (SQUID), μετρήσεις ρεύματος ISHE, πειράματα SP και FMR.Κατά την πειραματική εργασία, πραγματοποιήθηκε αρχικά, μια μελέτη διερεύνησης του καταλληλότερου NM υλικού σε επαφή με τον Fe. Εξετάστηκε η ετεροεπιταξία του Fe σε υποστρώματα MgO, που λήφθηκε ως αναφορά, ενώ συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα χαρακτηρισμού με επικάλυψη την Pt, τον Au και το Pd. Η διαστρωμάτωση αποδείχθηκε καίριας σημασίας για τα δομικά χαρακτηριστικά, που είχαν επίδραση στις μαγνητικές ιδιότητες των υμενίων. Ανεπιθύμητα αποτελέσματα, όπως η τοπική αλληλοδιάχυση μεταξύ Αu και Fe, αύξησαν έντονα τη μαγνητική σκληρότητα των συστημάτων, ενώ η αδυναμία του Pd να προστατέψει το μαγνητικό υλικό από οξείδωση, ανέδειξαν ως πιο ασφαλή επιλογή το σύστημα Fe/Pt. Η περαιτέρω μελέτη, κατέληξε για το σύστημα σε μια ικανοποιητικά μικρή τιμή του μήκους διάχυσης spin (λSD ≃ 1,1 nm).Για τα υμένια Fe/Pt, μελετήθηκε η επίδραση του πάχους του NM υμενίου στις ιδιότητες των συστημάτων, με σταθερό πάχος Fe 12 nm. Βρέθηκε ότι το πάχος των 6 nm της Pt, αποτελεί ένα όριο, κάτω του οποίου καταγράφηκε αξιοσημείωτη αύξηση του συνεκτικού πεδίου στα πειράματα μαγνητομετρίας MOKE, με ταυτόχρονη εισαγωγή μιας επιπρόσθετης μονοαξονικής ανισοτροπίας επί της κυβικής ανισοτροπίας της δομής του Fe. Ο δομικός χαρακτηρισμός και η ανάλυση HRΤΕΜ, απέδωσε τα φαινόμενα στη τοπική διακοπή της συμμετρίας των ετεροδομών, με αύξηση της διεπιφανειακής τραχύτητας, που ενίσχυσε τα φαινόμενα μαγνητικής γειτνίασης. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με την υποστήριξη προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής, που αποκάλυψαν την παρουσία ψευδομορφικής ανάπτυξης της Pt για τα πρώτα ατομικά επίπεδά της. Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση θερμοκρασίας κατά την ανάπτυξη των υμενίων Fe/Pt. Ο δομικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός ανέδειξε τη θερμοκρασία ανάπτυξης των 300οC ως ιδανική για την ομαλή επιταξία. Ο συνολικός πειραματικός χαρακτηρισμός σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα που λήφθηκαν από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής εξήγαγαν το μοντέλο εφηρέμησης των εσωτερικών παραμορφώσεων των υμενίων, με το στρώμα του Fe να εκτονώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας ανάπτυξης και του στρώματος της Pt με τον σχηματισμό ορίων κρυσταλλιτών και σφαλμάτων επιστοίβασης. Η εξαγωγή του επιταξιακού μοντέλου παρείχε την ευκαιρία για ελεγχόμενη παραμετροποίηση των διεπιφανειών, όπου οι μαγνητικές «ατέλειες» νανοσωματιδίων Fe3O4 ενίσχυσαν το συνεκτικό πεδίο των συστημάτων, αυξάνοντας ταυτοχρόνως την κυβική ανισοτροπία του Fe. Oι μετρήσεις FMR και τα περάματα SP, προσέδωσαν ένα μεγάλο εύρος στις καμπύλες συντονισμού, παρέχοντας επιπροσθέτως και μεγάλο εύρος μαγνητικού πεδίου για την παραγή τάσης φόρτου στις επιφάνειες. H εισαγωγή ενός υπέρλεπτου στρώματος MgO στις μεταλλικές διεπιφάνειες, αποτέλεσε μια επιπρόσθετη προσπάθεια παραμετροποίησης των διεπιφανειών, με σκοπό τη μελέτη της άντλησης των ιδιοστροφορμών δια μέσου του διηλεκτρικού φράγματος. Τα δείγματα που εξετάστηκαν είχαν σταθερό πάχος Pt 6 nm και Fe 12 nm, ενώ η μελέτη πραγματοποιήθηκε για τα διαφορετικά πάχη (0,5 – 2 nm) ενδιάμεσου MgO. Αποδείχθηκε ότι τα ρεύματα spin μπορούν να διαδοθούν εντός του στρώματος της Pt για πάχη έως 2 nm MgΟ. Η ηλεκτρική ανίχνευση του SP επιπλέον, αναδεικνύει την υψηλή σημασία των φαινομένων επανόρθωσης και παρέκκλισης του ρεύματος στις επαγόμενες τάσεις. Η επιλογή του MgO, ως ενδιάμεσο στρώμα παρείχε επιπλέον πληροφορίες για την επίδραση της παρουσίας του ως υπόστρωμα στα συστήματα Fe/Pt. Με την ολοκλήρωση της διατριβής εκπληρώθηκε ο βασικός στόχος της εργασίας, που ήταν ο προσδιορισμός της εξάρτησης της δυναμικής των spin από τα δομικά χαρακτηριστικά των σπιντρονικών διατάξεων˙ επιτεύχθηκε δε, με το συνδυασμό των μεθόδων δομικού και στοιχειακού χαρακτηρισμού με τις τεχνικές προσδιορισμού των μαγνητικών ιδιοτήτων.