Spintronik sensörlerin geliştirilmesi
Development of spintronic sensors
Yazar: TARIK KELLECİ
Danışman: PROF. DR. MÜRSEL ALPER
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
N[Co(tCo)/Cu(tCu)] biçimindeki süperörgüler, ultraince Ni kaplı cam üzerine
elektrodepozisyon yöntemi ile potentiostatik olarak üretildi. N ikili tabaka sayısı, Co ve
Cu tabaka kalınlıkları (tCo ve tCu) değiştirildi. Kristal yapıları X-ışını difraksiyon (XRD)
tekniği ile incelendi ve süperörgülerin yüzey merkezli kübik (fcc) yapıda olduğu tespit
edildi. Yüzey morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile
görüntülendi. SEM görüntülerinde Glass/Ni(30nm) alttabaka numunesinin yüzeyinin
homojen ve pürüzsüz olduğu, Glass/Ni(30nm)/70[Co(3nm)/Cu(0.6nm)] yüzeyinin ise
homojen, ince taneli yapıda olduğu görüldü. Manyetik özellikleri, titreşken numune
manyetometresi (VSM) ile araştırıldı, bütün numunelerin ferromanyetik olduğu ve film
düzleminde bir manyetizasyona sahip olduğu saptandı. Manyetorezistans (MR) ölçümleri
4 uçlu (problu) numune tutucu ile şerit biçimli (1.8 cm x 0.5 cm) numuneler üzerinde
yapıldı. Üretilen filmler arasında en anlamlı MR değeri N[Co(3nm)/Cu(0.6nm)]
süperörgüsünde elde edildiği için bu varyasyona daha fazla odaklanıldı ve ikili tabaka
sayısı (N) değiştirilerek daha uygun MR elde edilmeye çalışıldı. En yüksek GMR değeri
Cam/Ni(30nm)/70[Co(3nm)/Cu(0.6nm)] biçimindeki numunede gözlendi. Bu numuneyi
kullanarak bir GMR sensör tasarımı geliştirildi.
Sensör tasarımı için dahili 30mA'e kadar akım kaynağı olan ve bilgisayarla çalışabilen
ESP32 entegre devresi ve bu devre ile uyumlu çalışacak ADS 1220 analog-dijital
dönüştürücü kullanıldı. Entegre devreler seçilirken, yaygın kullanım, ucuzluk, kolay ve
mevcut süperörgü filmlerle uyumlu çalışabilme faktörleri göz önünde bulunduruldu.
Entegre devrenin, dönüştürücünün ve sensörün (üretilen süperörgü) üzerine yerleştirildiği
PCB kart, 4 katlı olarak tasarlandı ve sinyallerde bozulmaların önüne geçmek için temel
EMC kurallarına riayet edildi. Sensör devresi, Wheatstone köprüsü devre yapısında ve
dışarıdan ihtiyaca göre sabit akım verilebilecek şekilde tasarlandı. Üretilen prototip ile ±2
T' lık manyetik alanlarda ölçümler yapıldı. Buna göre sensör olarak kullanılan süperörgü
ile manyetik alan değişimi detekte edildi. Araştırma sonucunda zamanla değişen
manyetik alanın çıkış sinyallerinde değişime yol açtığı gözlendi. Bu değişim literatüre ve
üretilen ince filmin manyetik ve elektrik özellikleriyle uyumlu olduğu bulundu. Sensör
hassasiyetinin geliştirilmesi ve sensörün daha etkin çalışması için daha düşük boyutlu
süperörgülerin kullanılmasının uygun olabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
N[Co(tCo)/Cu(tCu) ] superlattices were potentiostatically electrodeposited on a glass
substrate coated ultrathin Ni layer. N the bilayer number, the tCo and tCu layer
thicknesses were changed. The crystal structure was determined by the X-ray diffraction
technique and found that the superlattices have a fcc structure. The morphological
properties were studied by scanning electron microscopy (SEM). In SEM images, the
surface of the Glass/Ni(30nm) layer sample was homogeneous and smooth, while the
Glass/Ni(30nm)/70[Co(3nm)/Cu(0.6nm)] surface was homogeneous and fine-grained.
The magnetic properties were investigated with a vibrating sample magnetometer (VSM),
revealing that all samples are ferromagnetic and possess magnetization in the film plane.
The magnetoresistance (MR) measurements were performed on the strip shaped samples
with four probes. Since a significant MR value was obtained in the [Co(3nm)/Cu(0.6nm)]
variation among the produced films, more focus was placed on this variation and the
number of layers of this film was altered to achieve a more suitable MR. The large GMR
value was obtained for Glass/Ni(30nm)/70[Co(3nm)/Cu(0.6nm)] sample. Using this
sample, the design of a GMR sensor was developed.
For sensor design, an ESP32 integrated circuit with an internal current source up to 30
mA and controlled by a computer, and an ADS 1220 analog-digital converter working
compatible with this circuit were used. They were chosen by considering the factors of
common usage, cheapness, easiness and coordination with the superlattices used as
sensor. The printed circuit board (PCB) cart, on which the integrated circuit, converter
and sensor were mounted, was designed as a 4-layer board. It was obeyed basic EMC
rules to prevent signal distortion. The sensor circuit was designed as a Wheatstone bridge,
and as to allow applying current when needed. The measurements were performed by a
fabricated prototype in the magnetic field of ± 2 T. As a result of the research, it was
observed that the output signals changed in response to the varying magnetic field over
time. This change was found to be consistent with the literature and aligned with the
magnetic and electrical properties of the produced thin film. As a result, the detection of
the variation in the magnetic field was obtained by the superlattices used as a sensor. It
was concluded that superlattices with low dimensions may be conveni