Manyetik ve manyetik olmayan metallerden yapılmış çok katlı ince filmlerde manyetik etkileşmelerin incelenmesi
Investigations of magnetic interactions of magnetic multilayers consisting of magnetic and nonmagnetic metals
Yazar: RAMAZAN TOPKAYA
Danışman: PROF. DR. BEKİR AKTAŞ
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
GMR etkisi 1989 yılında gözlendiğinden beri, manyetik çok katlı filmler, manyetoelektrik alanındaki uygulamalarından dolayı, araştırmacıların ilgisini çekiyor. Bu çalışmada sırasıyla ardışık ferromanyetik ve manyetik olmayan katmanlar periyodik olarak manyetik çok katlı filmler oluşturacak şekilde büyütüldü.Bu çalışmada, krom kalınlığının ve mayetik katmanların sayısının fonksiyonu olarak ve FMR ve VSM teknikleri kullanılarak ultra ince permaloy-krom çok katlı sistemlerin manyetik özelliklerine odaklandı. FMR ve VSM manyetik malzemeleri araştırmak için çok yararlı tekinlerden biri olduğu kanıtlandı.İki katlı Py/Cr filmleri ve çok katlı Py/Cr/Py/Cr/Py/Cr/Py filmleri hazırlandı. Filmler magnetron saçtırma tekniği ile hazırlandı. Saçtırma (sputter) tekniği, ince filmleri büyütme teknikleri içinde çok geniş kullanılan tekniklerden birisidir. Örneklerin büyütülmesinde sputter sisteminin basıncı 3x10-9 mbar. Py filmlerinin üzeri oksitlenmeyi önlemek için 100Å krom cap katmanı ile kaplandı. Krom ara katmanın kalınlığı 2Å'dan 30Å'a kadar 1Å adımlarla artırıldı. Çok katlı Py/Cr/Py/Cr/Py/Cr/Py filmler için krom ara katmanın kalınlığı 0.5Å'dan 3.5Å'a kadar 0.5Å adımlarla artırıldı. Krom ara katmanının her iki tarafındaki ferromanyetik katmanlar arsındaki değiş-tokuş etkileşmesini gözlemlemek için, manyetik katmanların uygun kalınlıkları araştırıldı. FMR ölçümleri, Bruker marka EMX model X-band ESR spektrometresi kullanılarak 5K ile 300K arasında yapıldı.. Mıknatıslanma ölçümleri, Quantum Design'nın Physical Property Measureument System (PPMS) sysytemin VSM'si kullanılarak yapıldı. FMR ölçümleri dc manyetik alan ile film normali arasındaki açı değiştirilerek yapıldı.Manyetik alanın yönü filmin yüzey normaline dik olduğu açılarda, iki güçlü ve yüksek çözünürlüklü pikler gözlendi. Bu iki spektrum manyetik alan film yüzeyine paralel olduğunda birbirlerine yaklaşırlar ve bir pik vererek birleşirler. Bu iki mod arsındaki alan eksenine göre mesafe krom ara katmanının kalınlığına bağlı. Bu iki modun birbirlerine göre yer konumlarının krom kanlılığının özel bir değerinde değiştiği gözlendi.FMR spektrumlarını yorumlayabilmek için uygun teorik model geliştirildi. Teorik modelden, iki ayrı katmandaki manyetik uyarmalara karşılık gelen akustik ve optik mod, doyum mıknatıslanmasının presesyonuna göre ya aynı fazda ya da zıt fazda oluyorlar. Alan eksenindeki, rezonans değerlerinin açısal bağımlılıkları ve bu spektrumların birbirlerine göre şiddetleri manyetik anizotropiye ve ferromanyetik katmanlar arasındaki değiş-tokuş etkileşmelerine bağlıdır. Bu gerçekleri teorik modelde kullanarak, spektrumların birbirlerine göre konumlarının krom ara katmanının her iki tarafındaki ferromanyetik katmanlar arasındaki deeğiş-tokuş etkileşmesinin işaretine bağlı olduğu anlaşıldı.

Abstract:
Since Giant Magnetoresistance (GMR) effect was observed, the magnetic multilayer thin films have attracted considerable attentions of researchers considerable due to their applications in the magnetoelectronics. In this work Magnetic multilayer thin films are grown in periodic structures, FM/NM/FM/NM?.of alternating layers of a ferromagnetic FM and a nonmagnetic NM.This work focused on the magnetic properties of ultra-thin Py/Cr multilayer systems as a function of Cr thicknesses and number of magnetic layers by using FMR and VSM techniques. FMR and VSM were proven to be one of the well established and useful techniques to investigate magnetic materials.In this work, we prepared the two types Py/Cr multilayer ultra thin films such as Py/Cr/Py trilayer films and Py/Cr/Py/Cr/Py/Cr/Py multilayer films. The films were prepared by magnetron sputtering technique. Sputter deposition is currently most widely used technique for thin films preparation. The system base pressure is 3x10-9 mbar. The magnetic film is capped by Cr against oxidation. The Cr spacer layer thickness is increased by 1 Å step from 2 Å to 30 Å for Py/Cr/Py trilayer films. For Py/Cr/Py/Cr/Py/Cr/Py multilayer films, Cr thickness is increased by 0.5 Å step from 0.5 Å to 9 Å. The suitable thicknesses of magnetic layers are searched to observe exchange coupling between ferromagnetic layers through metallic Cr spacer.The FMR measurements were carried out by using Bruker EMX model X-band ESR spectrometer in the temperature range 5K-300K. Magnetization measurements were carried out by using VSM (Quantum Design PPMS sysytem). The angle between the external DC field and the film normal was changed during the FMR measurements. Two strong and well resolved peaks were observed corresponding to two main modes of FMR excitation as the field orientations is close to the film normal. However these two modes come closer and overlap giving a single peak as the field oriented close to film plane. The separations of the two modes in the field axis are thickness-dependent of the Cr spacer. It was observed that the relative positions of these modes are interchanged for particular thickness of Cr as well.A suitable theoretical model was developed to analyse the FMR data. From the theoretical analysis, these two modes were attributed to the acoustic and optical excitations, corresponding to the magnetic excitations in two separate layers, either in phase or out of phase regarding to precession of saturated magnetizations. The positions of the resonance peaks in the field axis, the angular dependence of the resonance values and relative peaks intensities strongly depend on magnetic anisotropies and on exchange interactions between magnetic layers. By using these facts in the theoretical model, we have found that the relative positions depend on nature (sign) of the exchange coupling constant between magnetic layers through the Cr spacer.