Ultra ince geçiş metal filmlerin (Py/Cr, PtCo) kristallografik yapıları ve magnetik özelliklerinin belirlenmesi
Characterizing crystallographic structure and magnetic properties of ultra thin metal films Py/Cr, PtCo
Yazar: MUSTAFA ERKOVAN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. OSMAN ÖZTÜRK
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Epitaksiyal büyüme = Epitaxial growth ; Ferromanyetik rezonans = Ferromagnetic resonance ; Kristal yapı = Crystal structure ; Manyetik etkileşme = Magnetic interaction ; Manyetik malzemeler = Magnetic materials ; Manyetik özellikler = Magnetic properties ; Manyetizma = Magnetism ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; X ışını fotoelektron spektroskopisi = X ray photoelectron spectroscopy ; İnce metalik filmler = Thin metallic films

Özet:
Ultra ince tabakalardan oluşan üçlü Py/Cr/Py katlı manyetik filmler değişen Cr tabakası kalınlığına göre magnetron saçtırma ile sentezlenmiştir. Manyetik özellikleri FMR kullanılarak karakterize edilmiştir. Çok katlı manyetik filmlerin üretilmesinde kullanılmak üzere farklı stokimtride PtxCo1-x ikili alaşımlar magnetron saçtırmalı ve e-beam kullanılarak epitaksial ve poli kristal filmler yetiştirilmiştir. Kimysal ve yapısal karakterizasyonları UHV şartlarında XPS, LEED, ve XPD ile karakterize edilmiştir. Manyetik özellikleri ise FMR ile gözlemlenmiştir.Çok katlı magnetik filmlerle ilgili olarak gerçekleştirilen çalışmada ferromagnetik tabaka olarak permollay kullanılmasındaki en önemli faktör permollayın soft magnetik malzeme olması ve düşük magnetik alanlarda kolaylıkla yönlendiriliyor olması etkili oldu. Non-magnetik tabaka olarak krom seçilmesi ise büyütülürken kesinlikle topaklama yapmaması ve büyütüldüğü yüzeyi tamamen kapatabiliyor olması etkili oldu. Hazırlanan filmlerde permollay tabaka kalınlıkları birbirinden farklı (20 Å ve 30 Å) olarak seçilerek iki tabakanın farklı rezonans alan değerlerinde rezonansa gitmeleri sağlandı ve ara non-magnetik tabaka krom kalınlığı 4-40 Å aralığında 1 Å' lük adımlarlar tarandı ve FMR tekniği ile magnetik özellikleri incelendi ve geliştirilen teorik program yardımıyla hazırlanan yapının tüm magnetik özellikleri ortaya konuldu. Özellikle tabakalar arası exchange parametresi için ara tabaka krom kalınlığına bağlı olarak osilasyon davranışı gözlemlendi. Osilasyon periyodu 11 Å olarak tespit edildi ve 22 Å krom kalınlığında yine aynı davranış yani tabakalar arası etkileşimin anti-ferromagnetik olduğu gözlendi. Ara tabaka kalınlığı 30 Å kalınlıktan büyük olduğunda ise artık iki ferromagnetik tabakanın birbiri ile anti-ferromagnetik etkileşim yapmadığı da tespit edildi.Farklı kimyasal oranlarda hazırlanan PtCo alaşımların ilk olarak alaşım oluşturmak için hazırlanması gereken sıcaklığın ince filmlerde, bulk filmlere göre farklı olduğu ortaya konuldu. Yapılan XPS ve FMR çalışmalarının sonucundan ultra ince PtCo için alaşımlandırma sıcaklığının 450 °C olarak tespit edildi. Tek FMR piki 450 °C sıcaklık ve üzerindeki sıcaklıklarda hazırlanan örneklerde gözlemlenmiştir. Düşük sıcaklıklarda ise iki farklı rezonans piki alaşımlandırmanın olmadığını platin ve kobaltın tabaka tabaka büyüdüğüne işaret ve platinin kobaltın magnetik özelliklerine herhangi bir etkinsin olmadığı yani kendi doğasındaki gibi non-magnetik özellik gösterdiğine işaret etmektedir. Platinin kobalt üzerine etkisinin net bir biçimde anlaşılması için faklı kimyasal oranlarda hazırlanan PtCo alaşım filmlerle aynı kalınlıkta bir kobalt film hazırlanmış ve bu filmin FMR ölçümleri referans amaçlı olarak kullanılarak platinin magnetik özelliklere etkisi net olarak ortaya konulmuştur.PtCo alaşımlarda platinin net bir magnetik moment kazanması ve özelikle platin ve kobalt'ın eşit kimyasal oranlarda alaşımlandırılması epitaksiyel olarak büyütülen L10 fazı alaşımların yüksek magnetokristalline anizotropiye sahip olmaları ve literatürde yapılan çalışmalarda özellikle kalın olarak hazırlanan ve kristallografik özelliklerin XRD ile çalışılmış olmasından dolayı, bu yapının daha ince kalınlıklarda kristallografik yapının çözümlenmesinde XRD den çok daha etkili teknik olan XPD ile karakterizasyonu gerçekleştirildi. Yapılan XPD çalışmasında PtCo alaşım malzemenin 1ML' dan daha yukarılara çıkıldıkça (~100Å) dahi alt taş yapının yüzey latis parametresini koruduğu görülmüştür. Bu özelliği PtCo' ın çok katlı manyetik epitakisal film yetiştirilmesinde çok iyi bir ara ferromanyetik katman olacağını göstermiştir.

Abstract:
The ultra-thin Py/Cr/Py trilayer system were investigated as a function of Cr thicknesses by using FMR and dc magnetization measurement techniques. To develop a good FM interlayer candidate for magnetic multilayer films, thin films of PtxCo1-x were growth by magnetron sputtering and e-beam deposition technique. The magnetic properties were analyzed by FMR. XPS, XPD and LEED were used to analyze the chemical stochiometry and structure of alloy films.The Py/Cr/Py trilayer system was deposited on Si (100) substrates by dc and/or rf-magnetron sputtering technique. The base pressure was 3x10-9 mbar. The Cr layer thickness was increased by 0.1 nm from 0.2 nm to 4 nm. The suitable thicknesses of magnetic layers were investigated to observe exchange coupling between ferromagnetic layers through metallic Cr spacer. The FMR measurements were done as a function of angle of external dc field with respect to the film surface. Two strong and well resolved peaks were observed for two main mode of FMR excitation as the field orientations close to film normal. It was observed that the relative positions of the strong and the weak modes were interchanged for particular thickness of Cr as well. It has been found that the relative position depend on nature (sign) of the exchange coupling constant between magnetic layers through Cr spacer. The exchange coupling constant changed sign for every 1.1 nm steps in the spacer thickness.Thin films of PtxCo1-x were growth by magneto sputtering and e-beam techniques in Ultra High Vacuum (UHV) conditions. In general, well defined atomic position is essential to understand the various properties of ultra thin materials. In this work, XPD results confirmed that PtxCo1-x alloys commensurate perfectly to the substrate crystal structures. It was observed that non-magnetic Pt had effect on the magnetization of ferromagnetic Co because of hybridization in alloys, and Pt is acting as paramagnetic component in the PtCo alloys. Meanwhile, growth temperature effected significantly the relation between Co and Pt atoms. It was concluded that the hybridizations occures over 4500 C of growth temperature.