Spin vanası sistemleri için  yeni tip nano TOx-MgO (T=V, Ti) tünel bariyerlerinin geliştirilmesi
Development of new type nano TOx-MgO (T=V, Ti) tunnel barrier for spin valve systems
Yazar: MUSTAFA YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. RAMİS MUSTAFA ÖKSÜZOĞLU
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Litografi = Lithography ; Magnetorezistans = Magnetoresistance ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Tünelleme = Tunelling ; X ışını kırınımı yöntemi = X ray diffraction method

Özet:
Bu tez, manyetik hafıza ve pozisyon sensör uygulamaları için MgO bariyerli spin vanası sistemlerinin üretimi ve karakterizasyonlarını içermektedir. IrMn tabanlı değiş-tokuş etkileşimli spin vanası (EB-SV) ile antiferromanyetik katmanın olmadığı Pseudo spin vanası (P-SV) sistemleri manyetik sıçratma (MS) metodu kullanılarak üretilmiştir. EB-SV sisteminde, tampon ve çekirdek katmanların EB sisteminin yapı ve manyetik özelliklerine olan etkisi incelenerek uygun değer EB katman yapısı elde edilmiştir. Bariyer katmanının geliştirilmesi için farklı tip MS metotları kullanılarak tek katman bariyer üretimleri yapılmış ve uygun üretim tekniği bulunmuştur. EB-SV sistemlerinin üretim sonrası tek yönlü manyetik alanda tavlama deneyleri yapılmış, tavlama sonrası manyetik ve yapı değişimleri incelenerek uygun değer tavlama sıcaklıkları belirlenmiştir. EB-SV sisteminin mikro fabrikasyonu gölgeleme maskesi kullanarak yapılmıştır. Optimum EB katmanı ve bariyer katmanı SV sistemine entegre edilerek, 1.8nm bariyer kalınlığında %98 TMR (tünel manyetodirenç) etkisi gözlenmiştir. 
Tamamlayıcı bir çalışma olarak, MgO tabanlı, yeni nesil ve yüksek performanslı P-SV sistemleri üretilmiştir. P-SV sisteminin yapısal, manyetik, elektrik ve manyetodirenç özellikleri en iyi performanstaki P-SV sistemini elde etmek için sistematik olarak incelenmiştir. Litografi teknikleri kullanılarak mikrofabrikasyonu tamamlanan P-SV'ler için, Rowell kriterleri sağlanmıştır. Ayrıca, P-SV numunelerinin bariyer kalınlığı ve direnç alan bölgesine bağımlılığı incelenmiştir. Sonuç olarak, mikrofabrikasyonu tamamlanmış 25×25µm2 direnç alan bölgesine ve 2nm bariyer kalınlığına sahip bir P-SV sisteminde, oda sıcaklığında %508 TMR değeri elde edilmiştir. Ayrıca, üretilen P-SV sisteminde, tünelleme mekanizmasının uygulanan voltaja bağımlı olarak TMR değerine etkisi bulunmuş, ilk kez bu tür SV sistemlerinde Fowler Nordheim (FN) tünelleme etkisi gözlenerek, FN tünellemesinin TMR ve manyetik olmayan metalden saçılarak elde edilen manyetodirenç (GMR) etkisinin fiziksel olarak kesiştiğini temsil eden tünelleme mekanizması olabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
This thesis involves the fabrication and characterization of MgO based spin valve (SV) systems for magnetic memory and position sensor applications. Magnetron sputtering (MS) method was used to deposit the layers of  IrMn based exchange bias spin valve (EB-SV) systems and pseudo spin valve (P-SV) systems which have stacking structure without antiferromagnetic pinning layer. 
In the EB-SV systems, effect of buffer and seed layer on the structure and magnetic properties were investigated, and optimum stacking structure of EB systems were obtained. For the barrier layer, single layers were produced using different MS methods and a proper production technique was developed for that purpose. Having deposited the EB-SV systems, uni directional magnetic annealing (UDA) experiments were performed on the EB-SV systems, and optimum UDA temperature was found by investigation of structural and magnetic properties of the annealed EB-SV systems. The microfabrication of EB-SV systems were done using shadow masks. Optimized EB systems and barrier layer were integrated into an EB-SV system, and a TMR values of 98% was achieved at 1.8nm MgO thickness. 
As a complementary study, new generation and high performance MgO based P-SV systems were produced. Structural, magnetic, electrical and magnetoresistance properties of P-SV systems were systematically investigated to obtain the best performance in these systems. The Rowell criteria, are met for the P-SV which were microfabricated using lithography techniques. Additionally, dependence of P-SV on barrier thickness and resistance area was examined. As a result, microfabricated P-SV systems having 2 nm MgO thickness and resistance area about 25×25µm2shows 508% TMR value at room temperature. Moreover, effect of tunneling mechanism on the bias dependent TMR was found, and the Fowler Nordheim (FN) Tunneling effect was observed for the first time in P-SV systems, which may indicate that FN tunnelling represents the physical intersection between TMR and Giant magnetoresistance (GMR) effects which has nonmagnetic metalic spacer.