Nife/X/Irmn (X: cu, cr, pt)-tabanlı planar hall etkisi sensörlerinin üretilmesi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of nife/X/irmn (X: Cu, cr, pt)-based planar hall effect sensors
Yazar: HASAN PİŞKİN
Danışman: PROF. DR. NUMAN AKDOĞAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Düzlemsel Hall etkisine (PHE: planar Hall effect) dayanan manyetik alan sensörleri miliTesla ve pikoTesla aralığındaki manyetik alanları ölçmek için kullanılmaktadır. Son zamanlarda bu konuda yapılan çalışmaların ana hedefi ise PHE sensörlerinin manyetik alan hassasiyetlerini artırmaktır. Sensörlerin geometrisi, exchange bias etkisi ve şönt akımı olmak üzere sensör hassasiyetine etki eden çok önemli üç tane unsur vardır. Literatürde, exchange bias etkisi içeren iki tabakalı NiFe/IrMn, üç tabakalı NiFe/Cu/IrMn ve spin vanası NiFe/Cu/NiFe/IrMn yapıları kullanılarak hazırlanmış çapraz eklem, eğik çapraz eklem ve Wheatstone köprüsü geometrilerindeki PHE sensörleri sistematik olarak araştırılmıştır. Bu çalışmalar arasında üç tabakalı PHE sensörlerinin, iki tabakalı PHE sensörlerine kıyasla daha zayıf exchange bias etkisi ve spin vanalarına kıyasla daha az şönt akımı içermeleri sebebiyle en yüksek manyetik alan hassasiyetini sağladıkları belirtilmiştir. Ayrıca, köprü geometrilerinde anizotropik manyetodirenç (AMR) sinyalinin PHE sinyaline dâhil edilmesiyle sensör hassasiyetleri daha fazla artırılmıştır. Fakat, Cu elementinin çok iyi bir iletken olması nedeniyle sensörlerden elde edilen manyetik alan hassasiyeti sınırlanmıştır. Bu tez çalışmasında ise Pt ve Cr elementlerinin Cu elementine kıyasla çok daha yüksek bir dirence sahip oldukları göz önünde bulundurularak, literatürde ilk defa üç tabakalı NiFe/Pt/IrMn ve NiFe/Cr/IrMn yapılarında üretilen PHE sensörlerinin manyetik alan hassasiyetleri, aradaki Pt ve Cr tabaka kalınlıkları 0-1 nm arasında değiştirilerek araştırılmıştır. Pt ve Cr ara tabakalarının kullanılmasıyla, Cu ara tabakasının PHE sinyali üzerindeki olumsuz etkisinin giderildiği deneysel olarak gösterilmiştir. Ayrıca, sıcaklığa bağlı olarak yapılan deneyler, üretilen sensörlerin 390 K sıcaklığında bile düzgün bir şekilde çalıştığını göstermiştir. Zamana bağlı olarak kaydedilen PHE sinyallerinde ±100 nV seviyesinde bir gürültü olduğu belirlenmiş, sinyallerin uygulanan manyetik alanın büyüklüğüne ve yönüne oldukça duyarlı ve kararlı oldukları gözlenmiştir. Elde edilen gürültü seviyesiyle PHE sensörleri 380 nanoTesla değerinde bir manyetik alan çözünürlüğüne ulaşmıştır. Bu özellikleri sayesinde NiFe/Pt/IrMn ve NiFe/Cr/Pt yapılarındaki PHE sensörlerinin zayıf manyetik alanları ölçmeyi gerektiren birçok uygulamada kullanılabilir oldukları tespit edilmiştir.

Abstract:
The magnetic field sensors based on planar Hall effect (PHE) have been used for detecting the magnetic fields in the range of miliTesla and picoTesla. The main objective of the recent investigations is to increase the magnetic field sensitivity of PHE sensors. The sensor geometry, exchange bias effect and the shunt current are the most important parameters that affect the sensor's magnetic field sensitivity. In the literature, the systematic studies have been done by using the exchange biased NiFe/IrMn bilayer, NiFe/Cu/IrMn trilayer and NiFe/Cu/NiFe/IrMn spin valve structures with the cross junction, tilted cross junction, and Wheatstone bridge geometries. Among them, the trilayer structure provides a better sensitivity due to the reduced exchange bias compared to the bilayers and reduced shunt current compared to the spin valves. Also, the bridge geometry of PHE sensor further increased the sensitivity of trilayers due to the addition of AMR signal to the PHE signal. However, the very good electrical conductivity of Cu spacer layer limits the sensor's magnetic field sensitivity.  In this thesis, considering that the Pt and Cr materials have higher resistances compared to the Cu material, the magnetic field sensitivity of PHE sensors consisting of the NiFe/Pt/IrMn and NiFe/Cr/IrMn trilayer structures have been investigated as a function of Pt and Cr spacer layer thicknesses in the range of 0-1 nm. The insertion of the Pt and Cr spacer layers between NiFe and IrMn have significantly increased the magnetic field sensitivities of PHE sensors. It has been experimentally shown that the negative effect of the Cu spacer layers is repaired via Pt and Cr spacer layers.  Besides, the temperature-dependent experiments show that the produced PHE sensor kept working even at 390 K with an increasing sensitivity. The time-dependent experiments reveal that the sensors have very stable responses to the magnitude and polarity of the external magnetic field with a ±100 nV noise level. With this noise level a 380 nanoTesla resolution achieved for 5 mA dc current. These properties make NiFe/Pt/IrMn and NiFe/Cr/Pt based PHE sensors very promising for practical detection of low magnetic fields