Διαμόρφωση φυσικών ιδιοτήτων σε πολυστρωματικές δομές
Creators: name: Χατζηπαυλίδης, Αλέξανδρος Βύρωνα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2008
Subjects: Πολυστρωματική δομή
Δομικός χαρακτηρισμός
Μαγνητικός χαρακτηρισμός
Magnetic multilayers
Structural features
Magnetic features

description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία έγινε η μελέτη της διαμόρφωσης των φυσικών ιδιοτήτων πολυστρωματικών υμενίων (Compositionally Modulated Multilayers, CMMs) και πιο συγκεκριμένα με το σύστημα μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων Co/Au. Ο συγκεκριμένος συνδυασμός υλικών σε πολυστρωματική δομή έχει προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον και έχει μελετηθεί εκτενώς για δύο κυρίως λόγους. Ο πρώτος λόγος είναι η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία που εμφανίζει το σύστημα, που είναι μια ιδιαίτερα χρήσιμη ιδιότητα στην τεχνολογία μαγνητο- οπτικής εγγραφής. Ο δεύτερος λόγος είναι ότι το σύστημα παρουσιάζει γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση, με αποτέλεσμα την χρήση του συγκεκριμένου συστήματος σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές όπως για παράδειγμα στους αισθητήρες μαγνητικού πεδίου αλλά και στην μαγνητική εγγραφή. Τα δείγματα παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο με τη μέθοδο της εξάτμισης με δέση ηλεκτρονίων (e-beam evaporation) σε σύστημα υπερυψηλού κενού πάνω σε υποστρώματα γυαλιού, πυριτίου και πολυϊμιδίου (kapton). Ο δομικός χαρακτηρισμός πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της περίθλασης των ακτίνων Χ ( X Ray Diffraction, XRD). Αρχικά αναλύθηκαν τα φάσματα περίθλασης ακτίνων Χ του συστήματος Co/Au και υπολογίστηκαν οι παράμετροι διαμόρφωσης των δειγμάτων. Στη συνέχεια μελετήθηκε η σχέση υποστρώματος και των δομικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων και η επίδραση των παραμέτρων διαμόρφωσης στην δομή. Τα δείγματα παρουσίασαν καλή ποιότητα πολυστρωματικής διαμόρφωσης. Παρατηρήθηκε μάλιστα ότι όσο μεγαλώνει το πάχος των επιμέρους υλικών που συνιστούν το πολυστρωματικό υμένιο, τόσο βελτιώνεται και η ποιότητα της πολυστρωματικής διαμόρφωσης. Επίσης υπολογίστηκε το μέγεθος των κόκκων από τα φάσματα της περίθλασης των ακτίνων Χ και σε συνδυασμό με τις εικόνες μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων (Atomic Force Microscopy, AFM) παρατηρήθηκε ότι τα δείγματα παρουσιάζουν νανοκρυσταλλικό χαρακτήρα. Επιπλέον, τα πειραματικά φάσματα των ακτίνων Χ συγκρίθηκαν με αντίστοιχα θεωρητικά που προέκυψαν από προσομοίωση με τη βοήθεια μοντέλου, που παίρνει ως παράμετρο εισόδου τη συνάρτηση σύστασης του υλικού. Υπολογίστηκε τον παράγοντα ποιότητας Q, ο οποίος αποτελεί ένα επί τοις εκατό μέτρο αποτίμησης της ποιότητας - 6 - διαμόρφωσης των πολυστρωματικών υμενίων, ενώ επίσης παρατηρήθηκε η εξάρτηση του παράγοντα Q από τις παραμέτρους διαμόρφωσης. Ακολούθησε η μελέτη των μαγνητικών και μαγνητο-οπτικών ιδιοτήτων των δειγμάτων με μια σειρά από κατάλληλες τεχνικές. Με την μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (Vibrating Sample Magnetometry, VSM) καταγράφηκαν οι βρόχοι υστέρησης των δειγμάτων και έγινε ο πρωτογενής μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων. Στη συνέχεια με τις μετρήσεις του πολικού μαγνητο-οπτικού φαινομένου Kerr καταγράφηκαν τα ενεργειακά φάσματα της στροφής Kerr και τους βρόχους υστέρησης της στροφής Kerr. Με τις δύο αυτές τεχνικές έγινε η μελέτη της ανισοτροπίας που παρουσιάζουν τα δείγματα και την επίδραση που έχει η παρουσία των υπέρλεπτων υμενίων Au στην πολυστρωματική διαμόρφωση. Συγκεκριμένα παρατηρήθηκε τάση για εμφάνιση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας με την μείωση του πάχους των στρωμάτων του Co και την αύξηση του πάχους των στρωμάτων του Au. Ο γαλβανομαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων έδωσε πληροφορίες για την μαγνητοαντίσταση που παρουσιάζει το υλικό. Η ερμηνεία των μορφών των καμπύλων της μαγνητοαντίστασης καταδεικνύει την στενή συσχέτιση δομικών και μαγνητικών ιδιοτήτων. Τέλος οι εικόνες της μικροσκοπίας μαγνητικών δυνάμεων (Magnetic Force Microscopy, MFM) έδωσαν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την διευθέτηση των μαγνητικών περιοχών στα δείγματα. Τα δεδομένα που συγκεντρώθηκαν με τις παραπάνω τεχνικές αποδείχτηκαν απαραίτητα για την ερμηνεία της μαγνητικής συμπεριφοράς των μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων Co/Au και γενικότερα για την μελέτη της διαμόρφωσης των φυσικών ιδιοτήτων σε αυτά.
description: The purpose of the present Master Thesis is to study the modulation of structural and magnetic features of Compositionally Modulated Multilayers (CMMs). Specifically we studied nanocrystalline Co/Au multilayers. This category of magnetic materials has been extensively studied in recent years because of their interesting properties, both from fundamental point of view and for their potential applications. Co/Au compositionally modulated multilayers have recently attracted some attention due to the following reasons: (i) the system shows perpendicular magnetic anisotropy (PMA), which becomes considerable for samples with ultrathin Co layers, and (ii) it exhibits an oscillatory magnetic coupling between Co layers, which becomes antiferromagnetic-like for relatively thick Au interlayers resulting, thus, in the appearance of the giant magnetoresistance (GMR) effect. The magnetic multilayers with ultrathin Au interlayers (1.1 nm or less) were grown on glass, Si, and polyimide (kapton) substrates by e-beam evaporation under ultrahigh vacuum conditions. The deposition temperature was maintained at 40oC. In the begging of each evaporation, a 36 nm buffer layer of Au was grown in order to isolate the multilayer from the substrate and to allow for better crystallinity and {111} texturing. The number N of bilayer repetitions for the multilayers was equal to 30. The multilayer growth was always finished with a 5 nm (6.5 nm for one sample) capping layer for chemical protection of the samples against oxidation and corrosion. The structural characterization was performed with the help of X-Ray diffraction (XRD) spectra. The high quality of multilayer sequence was evidenced by the appearance of multiple strong peaks at small- and high- angle regions of XRD patterns. The XRD patterns were also used for the evaluation of the modulation parameters of the samples. The high quality of the multilayers was also confirmed by the quality factor Q. The estimation of Q factor is based on experimental and simulated data. The simulation is based on a model called modulated composition model , where the input parameter is the composition of the material. With the help of the Scherrer’s formula and input the full width at half maximum (FWHM) of the solid solution diffraction peaks in the high-angle XRD patterns of the multilayers we were able to see that the samples present a nanocrystalline character. This was also confirmed by the Atomic Force Microscopy (AFM) images. The macroscopic magnetic behavior was studied by vibrating sample magnetometry (VSM). Moreover, magneto-optic Kerr spectroscopy and polarimetry experiments revealed an enhanced Kerr rotation maximum at higher energies probably due to spin polarization effect in the relatively thin Au layer. Magnetic force microscopy (MFM) experiments revealed magnetic domain structure at remanence and verified the existence of perpendicularly oriented up and down stripe domains. The domain morphology observed depends on magnetic history of sample before the measurement and is responsible for the development of perpendicular magnetic anisotropy. Finally, the galvanomagnetic behavior of these films was studied by magnetoresistance and Hall effect measurements. The morphology of the magnetoresistance curves was correlated with the stripe domain existence and spin dependent scattering contributions in domain walls.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)