Spin elektroniği (spintronics) uygulamaları için RH tabanlı metalik ince filmlerin geliştirilmesi, manyetik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi
Development of RH based metallic thin films for spintronics applications, investigation of the magnetic and structural properties
Yazar: NURCAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. FİKRET YILDIZ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Anizotropi = Anisotropy ; Demir alaşımları = Iron alloys ; Ferromanyetik rezonans = Ferromagnetic resonance ; Kristal yapı = Crystal structure ; Spin = Spin ; İnce filmler = Thin films

Özet:
MgO (100) altlık üzerine büyütülen (Fe0,5Ni0,5)xRh1-x alaşımlı ince filmlerin yapısal ve manyetik özellikleri araştırıldı. MgO(100) alttaşlar üzerine farklı kompozisyonlarda büyütülen (Fe0,5Ni0,5)xRh1-x epitaksiyel ince filmler, rf püskürtme büyütme yöntemi ile hazırlandı. Büyüyen ince filmlerin manyetizasyon, manyetik anizotropi bilgisini sağlamak ve yorumlamak için yüksek hassasiyet nedeniyle ferromanyetik rezonans (FMR) ve VSM teknikleri kullanılmıştır. PPMS-VSM kullanarak manyetizasyonun sıcaklığa bağlılığı ve manyetik histerezis davranışları belirlenmiştir. Ayrıca örneklerin yapısal ve morfolojik özellikleri SEM ve XRD ölçümleri ile incelenmiştir. Manyetik anizotropi, manyetik malzemelerin cihazlardaki uygulanabilirlik sınırını belirleyen temel fiziksel özelliklerden biridir. Ve anizotropi, manyetik filmlerin yüzey, arayüz, kalınlık pürüzlülüğü ve kimyasal bileşiminden etkilenebilir. Filmlerin kristal örgü parametreleri, bileşim kompozisyonunun değiştirilmesiyle ve alttaşın örgü parametresinin alaşımdan farklı olmasından dolayı değişmektedir. Bunun sonucu olarak büyütülen ince filmlerin örgü yapısı kübik yapıdan tetragonal bozularak fcc yapıdan fct yapıya dönüştükleri tespit edilmiştir. Filmlerde Rh oranına bağlı olarak mıknatıslanmanın kolay ekseninin film düzleminden film normaline yöneldiği görülmüştür. Örgü parametreleri ve filmlerin kimyasal kompozisyonunun değişmesi, manyetik özelliklerin de kontrol edilebilmesini sağladı. Daha yüksek konsantrasyonda ferromanyetik içeriğe sahip ince filmlerin güçlü düzlem içi manyetik anizotropi sergiledikleri belirlenmiştir. FeNi'nin %40±5 olduğu durumda dikey manyetik anizotropi (PMA) gözlenmiştir. Bunun sebebinin birinci prensip hesaplamaları yoluyla film ile alttaş arasındaki örgü uyumsuzluğundan kaynaklanan düzlem içi çekme geriliminin (in-plane tensile strain) neden olduğu, şekil anizotropisinin üstesinden gelmek ve manyetizasyonun düzlem normalinde kolay eksenini stabilize etmek için yeterince büyük dik bir anizotropi oluşturan kristaldeki tetragonal distorsiyondan kaynaklandığı belirlenmiştir. 


Anahtar Kelimeler: Spin Elektroniği, Dikey Manyetik Anizotropi, Ferromanyetik Rezonans, Kristal Yapı, Fe-Ni-Rh Alaşımları, Manyetik İnce Filmler.

Abstract:
The structural and magnetic properties of (Fe0,5Ni0,5)xRh1-x alloy thin films grown on MgO (100) substrate were investigated. (Fe0,5Ni0,5)xRh1-x epitaxial thin films grown on MgO(100) substrates in different compositions were prepared by rf sputtering growth method. Due to the high sensitivity, ferromagnetic resonance (FMR) and VSM techniques were used to provide and interpret magnetization, magnetic anisotropy information of growing thin films. Temperature dependence of magnetization and magnetic hysteresis behaviors were determined using PPMS-VSM. In addition, the structural and morphological properties of the samples were examined by SEM and XRD measurements. Magnetic anisotropy is one of the basic physical properties that determines the applicability limit of magnetic materials in devices. And the anisotropy can be affected by the surface, interface, thickness roughness and chemical composition of the magnetic films. The crystal lattice parameters of the films are changed by changing the alloy composition and because the lattice parameter of the substrate is different from the alloy film. As a result of this, it was determined that the lattice structure of the grown thin films changed from cubic structure to tetragonal structure and transformed from fcc structure to fct structure. It has been observed that the easy axis of magnetization in the films is directed from the film plane to the film normal depending on the Rh ratio. Changing the lattice parameters and the chemical composition of the film enabled the magnetic properties to be controlled. It has been determined that thin films with higher concentrations of ferromagnetic content exhibit strong in-plane magnetic anisotropy. Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) was observed when FeNi was 40±5%. Through first-principle calculations, it was determined that the in-plane tensile strain caused by the lattice mismatch between the film and the substrate is caused by tetragonal distortion in the crystal, which creates a steep anisotropy large enough to overcome the shape anisotropy and stabilize the easy axis of magnetization in the plane normal.


Keywords: Spintronic, Perpendicular Magnetic Anisotropy, Ferromagnetic Resonance, Crystal structure, Fe-Ni-Rh Alloys, Magnetic Thin Films.