MnB yumuşak manyetik ince filmlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of soft magnetic MnB thin films
Yazar: MUSTAFA RİZALAR
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology

Özet:
Bu çalışmada, yumuşak ferromanyetik özelliğe sahip manganbor (MnB) ince filmlerin magnetron sputter yöntemi ile üretilmesi ve özelliklerinin araştırılması amaçlanmıştır. İnce filmler, sputter tekniği ile eş-zamanlı ve çok katmanlı olarak 75 nm ve 500 nm olmak üzere iki farklı kalınlıkta Si (100) alttaşların üzerine büyütülmüştür. Kalınlıkların böyle belirlenmesinin sebebi hem ince filmler üzerinde ki etkisini hem de görece kalın filmler üzerinde etkisinin incelenmesi amaçlanmasındandır. Eş zamanlı büyütülen kalınlığı 75 nm olan MnB ince film üzerine 10 nm Ti koruyucu üst katmanı büyütülen örnek için oksitlenmenin en az olduğu ve ortorombik Mn50B50  fazında olduğu X-ışını Fototelektron Spektroskobisi (XPS) ölçümlerinden belirlenmiştir. Üretilen MnB ince filmlerin manyetik özellikleri titreşimli örnek manyetometresi (VSM) ile manyetik alana  [M(H)] ve sıcaklığa bağlı mıknatıslanma [M(T)] ölçümlerinden doyum mıknatıslanmasının 760 emu/cc ve Curie Sıcaklığının ise 566 K olduğu belirlendi. Bu değerlerin literatürde raporlanan yığın MnB yapısının manyetik özellikleri ile uyumlu olduğu ve MnB ince filmlerin literatürde ilk kez bu çalışmada başarıyla üretildiği anlaşıldı.
Sentezlenen 75 nm ve 500 nm kalınlığındaki MnB ince filmlerde hem oksit yapısından kurtulmak hem de kristallenmeyi arttırarak manyetik özellikleri iyileştirmek amacıyla vakum sistem içinde (in-situ) ve yüksek sıcaklık fırınında (ex-situ) üretim sonrası ısıl işlem uygulanmıştır. Vakum sisteminde 500 oC'de tavlanan 75 nm kalınlığına sahip ince filmlerin ısıl işlem sonrasında  amorf olduğu belirlenmiştir. Kalınlığı 500 nm olan örneklerin ise yüksek sıcaklık fırınında (hangi ortamda?) 800, 850 ve 900 oC gibi yüksek sıcaklıklarda ısıl işlem uygulanması sonucunda kristallendiği, fakat istenilen fazın yanında belirlenemeyen yan fazlarında oluştuğu gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, manganese monoboride (MnB) thin films with soft ferromagnetic properties are fabricated by magnetron sputtering technique. Thin films are grown via two different techniques; co-sputtering and multilayer sputtering. MnxB100-x thin films with different thicknesses (75 nm and 500 nm) and atomic compositions varying in the range of x = 45 - 55 were produced to achieve the Mn50B50 structure. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) measurements have shown that 75 nm  MnB thin film with 10 nm Ti capping layer is successfully synthesized at x = 50 at%. Magnetic properties of the as-made MnB thin films are determined by magnetic field-dependent magnetization [M(H)] and temperature-dependent magnetization [M(T)] measurements using Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Results showed that 75 nm thick MnB thin films contain 7% B2O3 structure. Saturation magnetization and Curie temperature of the samples are found to be  760 emu/cc and 566 K, respectively. These values are in good agreement with the reported values of magnetic properties for bulk MnB in the literature. 
Synthesized 75 nm and 500 nm thick MnB films were annealed in-situ and ex-situ in order to get rid of the oxide structure and improve the magnetic properties by increasing crystallization. 
As a result of X-Ray Diffractometry (XRD) measurements, it was understood that thin films with 75 nm thickness which was annealed in-situ at 500oC were not crystalline after annealing and still amorphous. The synthesized samples with 500 nm thickness were annealed at ex-situ to higher temperatures such as 800, 850 and 900oC and as a result of this it was observed that the samples crystallized in XRD pattern but besides the desired phases, undesirable and undetectable phases were observed.