Co2MnAl/PMN-PT manyetoelektrik heteroyapılarda voltaj modülasyonu ile anizotropi kontrolü
Anisotropy tuning via voltage modulation in Co2MnAl/PMN-PT magnetoelectric heterostructures
Yazar: OKAN ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. AHMET ALTINDAL ; PROF. DR. LEYLA ÇOLAKEROL ARSLAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Manyetik özelliklerin elektrik alanla manipülasyonu, özellikle manyetoelektronik ve spintronik sistemlerdeki ısınmayı önlemek ve domen duvarlarını hareket ettirmek için gerekli olan güç tüketiminin azaltılmasında büyük önem taşımaktadır. Mıknatıslanmanın elektrik alan ile kontrolünün sağlanmasının hedeflendiği hibrit ferroelektrik/ferromanyetik cihazlar, ferroelektrik tabakaya uygulanan voltajın bağlı bulunduğu ferromanyetik tabakada bir mekanik gerilimi indükleyerek, ferromanyetik tabakanın manyetik özelliklerinde değişikliğe neden olması prensibine dayanmaktadır. Oda sıcaklığında güçlü manyetoelastik etkileşmeye sahip olan ferromanyetik malzemelerdeki mıknatıslanmanın bir elektrik alan tarafından indüklenen piezoelektrik gerilimle kontrol edilmesi modern spintronik cihazların işlevselliklerinin artırılmasını sağlayacaktır. Özellikle yarı metalik ferromanyetlerde, bir elektrik alanı ile ferromanyetik geçişin kontrol edilmesi, manyetoelektronik cihazlarda düşük güç tüketimi ve minimum kararsızlık gibi faydalar sağlar. Co2MnAl hem oda sıcaklığında güçlü bir mıknatıslanmaya sahip olması ve ince filminin manyetik özelliklerinin mekanik gerilimle kontrol edilebilmesinin mümkün olması açısından oldukça caziptir. Bu tezde, Co2MnAl ve yaygın olarak kullanılan ferroelektrik kurşun magnezyum niobat-kurşun titanat (PMN-PT) seramikleri bir araya getirilerek, Co2MnAl'un manyetik özellikleri, üzerine büyütüldüğü PMN-PT seramiklerine uygulanan gerilimle kontrol edilmeye çalışılmıştır. PMN-PT ([Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.69 - [PbTiO3]0.31) (100) ve (011) üzerine farklı sıcaklıklarda ve kalınlıklarda doğrudan büyütülen Co2MnAl ince filmlerinin yapısal ve manyetik özellikleri araştırılmıştır. Numunelerin zorlayıcı alanının ve kalıcı mıknatıslanması tabaka kalınlığına oldukça duyarlıdır. Yarı metalik olan Co2MnAl Heusler alaşımı PMN-PT (011) substratı üzerinde ince film şeklinde büyütüldükten sonra, ince filmlerin manyetik özellikleri üzerinde harici bir elektrik alanının etkisi araştırılmıştır. Yüzey normali boyunca bir elektrik alan uygulanarak indüklenen gerilim sadece düzlem içi gerinime yol açarak, Co2MnAl'un kolay eksen yöneliminin [100]'den [011 ̅] yönüne dönmesine sebep olmuştur. Co2MnAl bileşiklerinde oda sıcaklığında manyetizasyonun elektriksel kontrolü, yeni nesil manyetoelektrik rastgele erişimli bellek cihazlarının gerçekleştirilmesi için ilgi çekici olacaktır.

Abstract:
The manipulation of magnetic properties by an electric field is of great importance, especially in magnetoelectronic and spintronic systems, to prevent heating and to reduce the power consumption required to move the domain walls. Hybrid ferroelectric/ferromagnetic devices are based on the principle that a voltage applied to the ferroelectric layer causes a change in the magnetic properties of the ferromagnetic layer by inducing mechanical tension in the ferromagnetic layer. Controlling the magnetization in ferromagnetic materials, which have strong magnetoelastic interaction at room temperature, with the piezoelectric voltage induced by an electric field will increase the functionality of modern spintronic devices. Especially in semi-metallic ferromagnets, controlling the ferromagnetic transition with an electric field provides benefits such as low power consumption and minimum instability in magnetoelectronic devices. Co2MnAl is very attractive both because it has a strong magnetization at room temperature and because it is possible to control the magnetic properties of its thin film by mechanical tension. In this thesis, Co2MnAl and widely utilized ferroelectric Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-PT) ceramics have been combined to manipulate the magnetic characteristics of Co2MnAl with the voltage given to the PMN-PT. The structural and magnetic properties of Co2MnAl thin films growing directly on PMN-PT ([Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.69 - [PbTiO3]0.31) (100) and (011) at different temperatures and thicknesses were investigated. The coercive field and permanent magnetization of the samples are quite sensitive to layer thickness. After growing the semi-metallic Co2MnAl Heusler alloy as a thin film on the PMN-PT (011) substrate, the effect of an external electric field on the magnetic properties of the thin films was examined. The voltage induced by applying an electric field along the surface normal only caused in-plane tension, causing the easy axis orientation of Co2MnAl to change from [100] to [011 ̅]. Electrical control of room temperature magnetization in Co2MnAl compounds will be helpful for the development of next generation magnetoelectric random access memory devices.