Çoklu ferroik tek kristal film tabanlı aygıtların yapımı ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of multiferroic single crystal film based devices
Yazar: CİHAT BOYRAZ
Danışman: DOÇ. DR. LÜTFİ ARDA ; DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZDEMİR
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Lityum (LiFe5O8, LFO) ve farklı kombinasyonları ile oluşturulmuş ferriteler, katot malzemeleri, lityum iyonlu piller, jiratör, faz kaydırıcıları, devreler ve izole edici gibi mikrodalga aletlerindeki bileşenleriyle, teknolojik uygulama açısından bilim adamları ve sanayiciler tarafından sürekli bir ilgi odağı olmayı sürdürmektedir. Daha önceki çalışmalarda LiFe5O8 hetero yapısı ile birçok TMR aygıtı yapımı denemeleri, uygun alttaş seçimi sınırlı olması, maaliyetinin çok olması, film ve alttaş arasındaki örgü parametreleri uyumsuzluğu nedeni ile istenilen yüksek TMR etkisi elde edilememiştir. Önceki çalışmalarda LiFe5O8 hegza ferrit yapısı için sadece yalıtkan MgO alttaşı kullanılmıştır. Bu çalışmadan LiFe5O8 hetero yapısı için daha uygun bir alttaş seçimi incelenmiş, ve TMR aygıt yapımına geçilmiştir. Aygıt yapımınında karşılaşılan zorluklar ise fizikte ve malzeme biliminde son yıllarda dahada önem kazanmıştır. Alttaş davranışının karakterizasyonunu açısından yeni bir çalışma alanı ortaya çıkarmıştır.Büyüme sıcaklığı ve alttaş etkisinin bir fonksiyonu olarak, PLD tekniği ile büyütülen, LiFe5O8 (LFO) lityum ferrit ince filmlerinin yapısal ve manyetik özellikleri incelendi. Özellikle alttaş etkisin anlaşılması amacıyla LFO ile örgü sabiti çok yakın kaya tuzu MgO, spinel yapılı MgAl2O4, ve perovskite yapısına sahip SrTiO3 alttaşları kullanıldı. Lityum ferritin 750 °C altında düzenli ? fazında olduğunu ve 750 °C sonrası ise düzensiz ß fazına geçtiği gözlemlendi. Bu yapısal faz geçişi ile birlikte kristalin yapısı değişmiştir. X-ışını kırınımı ve Raman spektroskopi analizlerinden, özdeş yapılı MgAl2O4 (MAO)' nun bulk tekil kristal yapısına daha yakın olduğu gözlemlenirken, MgO alttaşı üzerine kaplanan filmler kaplama sıcaklığına uyumlu olarak gerildiği kanıtlandı. SrTiO3 alttaşında ise aynı durum gözlemlenmedi. SrTiO3 alttaşı ile LiFe5O8 filmi, maksimum örgü sabiti uyumsuzluğuna sahiptir. Bu ise SrTiO3 alttaşı üzerine büyüyen LFO filmlerinin yüzeyinde 3B (3 boyutlu) ada atomu oluşuma sebep olmaktadır. X-ışını analizleri ve Cohen metodu ile 412-690 °C sıcaklık aralığında, MgO alttaşı üzerine büyüyen LiFe5O8 epitaksiyel ince filmlerinin düzlem içi ve düzlem dışı örgü parametreleride hesaplanarak, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak hücre hacminin değişimi ve birim hücreninde büyüme yönü saptandı. Raman spektroskopisi Li ve Fe iyonlarının MgO alttaşı üzerine oktahedral olarak düzensiz artımına karşın, oktahedral noktalarda MAO alttaşı üzerine düzenli artmasını ortaya çıkarmaktadır.Film dokusu ve yüzey morfolojisi daha iyi örgü uyumu ile zenginleştirildi ve bu sonuç ise farklı alttaşlar üzerine büyüme modlarının, farklı olduğunu ortaya koymaktadır. Tüm filmlerin omega taraması ile FWHM değerleri hesaplandı. Buna göre FWHM, MgO için <1, MgAl2O4 için ~1 ve SrTiO3 alttaşı için ise ~2 derece civarındadır. Tüm filmler için Possion oranıda pozitiftir. AFM çalışmalarımız, yüzey pürüzlüğü değerleri ile, FWHM değerleri arasındaki uyumuda ortaya koymaktadır ve sayısal olarak yüzey pürüzlülüğü FWHM değerleri ile aynı mertebededir ve epitaksiyel büyümeninde bir kanıtıdır. LFO filmlerinin manyetik özellikleri, bulk manyetik özellikleri ile uyumludur ve özellikle MAO alttaşı üzerine büyüyen LFO filmleri için doyum mıknatıslanması MgO' ya nisbeten daha fazladır.2007 yılında Dr. Peter Grünberg ve Dr. Albert Fert tarafında bulunan yüksek direnç etkili (TMR) aygıtlarının temiz odada yapımı ve manyetik özelliklerinin ve direnç etkisinin incelenmesi ise bu çalışmamın diğer bir aşamasıdır. La0.67 Sr0.33MnO3 (LSMO) yarı metal özelliği gösteren ideal olarak mükemmelliğe yakın spin kutuplanma etkisi gösteren ve teorik olarakta spin kutuplanma etkisi kanıtlanmış iyi bilinen bir malzemedir. Bunun anlamı LSMO aygıtında iletim elektronları sadece tek tip spin türüne sahiptir. Bu durum çoğunluk elektronlarının sayısının baskın olmasından kaynaklanmıştır. LSMO tabanlı aygıt yapımı çalışmaları ise bu yönde bir ilgi odağı oluşturmaktadır. Yüksek spin kutuplanması nedeniyle LSMO spin-elektronik uygunlamaları açısından çok çekici bir adaydır. La0.67 Sr0.33MnO3 /SrTiO3/ La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO/STO/LSMO) çoklu tabakalı TMR aygıtlarının filmleri PLD tekniği ile büyütüldü. Manyetik olarak çok tabakalı filmin fotolitografi tekniğiyle aygıt yapımı öncesi, manyetik karakterizasyonu SQUID ve yüzey karakterizasyonları AFM aygıtları ile sağlanarak film kaplama koşulları optimize edildi. Ferromanyetik elektrot La0.67 Sr0.33MnO3 ve ayırıcı yalıtkan tabaka SrTiO3 ile TMR aygıtı fotolitografi tekniği ile geliştirildi. Düşük sıcaklık transport ölçümleri H-R ve T-R ölçümleri 4 yönlü uç tekniği ile yapıldı. Kullanılan yalıtkan STO alttaşının iyon aşındırma etkisi ile metalik özellik göstermesi ve alttaş film arası bölgede gerilim etkisi ortaya çıkarılmıştır.Bu konuda geliştirdiğimiz hibrit aşındırma işlemi ve yeni aygıt yapım süreci ile alttaş seçimi yaparken alttaşın yalıtkan olsa bile aşındırma işlemi ile TMR devresine verdiği akım ele alınmıştır. Bu akımın ortadan kaldırmanın yolları araştırılıp ve yeni bir prosedür geliştirildi. Bu akımın kaynağının STO alttaşının Ar gazı ile aşındırmaya çok duyarlı olması sonucu oksijen atomunun elektronlarının oksidasyonu sonucu, Sr yada Ti atomlarına katılarak iletim bandı elektron sayısına katkıda bulunduğu ortaya çıkarılmıştır. Bu ise yalıtkan STO alttaşının metalik özellik göstermesine neden olmuştur. Geliştirdiğimiz yeni aygıt prosedürü alttaşı korumuş ve bu akımı ortadan kaldırmıştır.

Abstract:
Lithium and related substituted ferrites LiFe5O8, (LFO) have attracted continual interest because of their technological applications as potential cathode materials in lithium-ion batteries and as components of microwave devices such as gyrators, phase shifters, circulars, and isolators. In the previous studies, with LiFe5O8 heterostructure, the desired results in high TMR effects have not been able to obtained with the attemptions of fabrication of TMR devices, due to limited substrate alternative, high cost, and the lattice mismatch between film and substrate. In previous studies, the insulator MgO substrate was used for LiFe5O8 hexaferrit structure. In this study, for LiFe5O8 heterostructure, more convenient substrate alternatives were inversigated and applied for TMR device fabrication. In physics and material science, the experienced complications in fabrications of TMR devices have given a new field of study in the characterization of substrate behaviour.Structural and magnetic properties of lithium ferrite LiFe5O8, (LFO) thin films, which were deposited by PLD, were investigated as a function of substrate-induced strain and growth temperature. With the aim of understanding of substrate-induced strain effect, rocksolt MgO, spinel structured MgAl2O4 and perovskite SrTiO3 substrate, which have the closest lattice match with LFO, were used.Under 750 °C deposition temperature, the ordered ? phase and above 750 °C, the disorder ß phase of LFO were investigated. The crystal structural of LFO altered with the structural phase transition. Through x-ray diffraction and Raman spectroscopy analysis, we find LFO films grown on isostructural MgAl2O4 (MAO) are closer to bulk single crystal behavior, whereas the films remain coherently strained on lattice matched MgO substrate. For SrTiO3 substrate the same behaviour was not investigated. LiFe5O8 bulk structure has the maximum lattice mismatch with SrTiO3 substrate. This lattice mismatch gives rise to 3D (3 dimensional) adatom formations on the LFO films, grown on SrTiO3 substrate.With X-ray diffraction analysis and Cohen?s method in the 412-690 °C tempereture regime, for the epitaxial LiFe5O8 thin films grown on MgO substrate, in-plane and out of- plane lattice parameters and as a function of temperature, the change in the cell volume and the unit cell growth direction were determined. Raman spectra reveal enhanced disorder of Li and Fe ions at the octahedral sites on MgO substrate contrasting with the relatively high degree of octahedral site ordering on MAO.Film texture and surface morphology are enhanced with better lattice match, indicating different growth modes on different substrate. For all films, with omega scan (Rocking curve analysis), FWHM values were calculated. FWHM values for MgO, MgAl2O4 ,and SrTiO3 substrates are around <1, ~1, and ~2 degree respectively. Our AFM studies, shows the correlation between surface roughness and FWHM values and as numerical, these values are at the same order thus, this is the prove of the epitaxial growth. The magnetic properties of LFO films are compatible with bulk magnetic properties and especially for the LFO films, grown on MAO substrate, saturation magnetization is higher than the films grown on MgO substrate.In 2007, the scientists Dr. Peter Grünberg and Dr Albert Fert received the nobel prize with the invention of high resistance effected TMR devices. The fabrication of TMR devices in clean room, the investigations of magnetic properties and resistance effects are the further part of the this study. La0.67 Sr0.33MnO3 (LSMO) is a half-metallic oxide with near perfect spin polarization well known to have the high spin polarization also theoreticly; its spin polarization effect was proved. This means that the conduction electrons in LSMO have only one kind of spin i.e. conduction is due only to the majority spin electrons. In this way, LSMO-based devices fabrication studies have a potential interest. Due to high spin polarization, LSMO is an attractive candidate for spin-electronic applications. Multi-layered La0.67 Sr0.33MnO3 /SrTiO3/ La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO/STO/LSMO) films of TMR devices were growth by PLD technique. Before the device fabrication with photolithography technique of multi-layered magnetic films, the deposition conditions were characterized as magneticly and morphologically by SQUID and AFM tools. TMR device was fabricated by photolitohraphy technique using ferromagnetic electrot La0.67 Sr0.33MnO3 and the separator insulator layer SrTiO3. Low temperature transport measurements of H-R and T-R measurements were conducted by 4 probe technique. The substrate induced effect between film and substrate and with ion beam etching, the metallic behavior of used insulator substrate STO effect were investigated. The study is on fabrication and characterization of multi-layered La0.67 Sr0.33MnO3/SrTiO3/La0.67 Sr0.33MnO3 (LSMO/STO/LSMO) TMR devices. Because of physical etching, the insulator substrate gets damaged and becomes conductor and this give rise to an unknow current in TMR device. The main reason of the metallic behavior of the substrate is oxidation. With physical etching, oxygen atoms lose their electrons and these are used by either Sr or Ti atoms in conducting band. We developed a new hybrid etching procedure to protect the substrate and got ride of the current.