Ανάπηςξη και σαπακηηπιζμόρ πποηγμένων ςλικών για νανοδιαηάξειρ

Transcript

1 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΠΟΛΤΣΔΥΝΙΚΗ ΥΟΛΗ ΓΔΝΙΚΟ ΣΜΗΜΑ Ανάπηςξη και σαπακηηπιζμόρ πποηγμένων ςλικών για νανοδιαηάξειρ Διδακηοπική Διαηπιβή Σπςπίδων Δ. Παππάρ Ηλεκηπολόγορ Μησανικόρ και Σεσνολογίαρ Τπολογιζηών Δπιβλέπυν Καθηγηηήρ: Κυνζηανηίνορ Πολίηηρ Πάηπα, Ιούνιορ 2013

2 ii

3 ΠΑΝΔΠΙΣΗΜΙΟ ΠΑΣΡΧΝ ΠΟΛΤΣΔΥΝΙΚΗ ΥΟΛΗ ΓΔΝΙΚΟ ΣΜΗΜΑ ΓΙΓΑΚΣΟΡΙΚΗ ΓΙΑΣΡΙΒΗ Ανάπηςξη και σαπακηηπιζμόρ πποηγμένων ςλικών για νανοδιαηάξειρ Σπςπίδων Δ. Παππάρ Δπιβλέπυν Καθηγηηήρ: ςμβοςλεςηική Δπιηποπή: Δξεηαζηική Δπιηποπή: Κ. Πολίηηρ Κ. Πολίηηρ Π. Ποςλόποςλορ B. Hjörvarsson Μ. Βελγάκηρ B. Hjörvarsson Π. Λιανόρ Π. Ποςλόποςλορ Γ. καπλάηορ Ι. Υαπιηάνηηρ Κ. Πολίηηρ Ημεπομηνία εξέηαζηρ: Ημεπομηνία αγόπεςζηρ: iii

4 iv

5 v ςσοτρ γονείρ μοτ

6 vi

7 vii

8 viii

9 ΠΔΡΙΛΗΦΗ Σο ανσικείμενο σηρ παποόςαρ Διδακσοπικήρ Διασπιβήρ είναι η ανάπστξη και ο φαπακσηπιςμϋρ πποηγμένψν τλικύν για ευαπμογέρ ςε νανοδιασάξειρ. σα πλαίςια ατσήρ, επικενσπψθήκαμε ςσην ανάπστξη και μελέση μαγνησικύν και ημιαγψγικύν λεπσύν τμενίψν ποτ βαςίζονσαι ςε οξείδια παπαδοςιακύν μεσάλλψν και ημιαγψγύν. Ο μαγνησικϋρ και οπσικϋρ φαπακσηπιςμϋρ σψν τλικύν ατσύν τπϋ ση μοπυή σηρ νανοδομήρ σοτ λεπσοό τμενίοτ, αποκαλόπσοτν νέερ ιδιϋσησερ με εξαιπεσικά μεγάλο σεφνολογικϋ ενδιαυέπον. Πιο ςτγκεκπιμένα, έγινε κασαπφήν ανάπστξη πολτςσπψμασικύν μαγνησικύν τμενίψν Ni/NiO, μονοςσπψμασικύν ημιαγψγικύν τμενίψν Cu 2O, CuO και NiO, ϋπψρ επίςηρ και μονοςσπψμασικύν άμοπυψν μονψσικύν τμενίψν SiO x με ή και φψπίρ ενςψμασψμένερ κβανσικέρ σελείερ Si. Για κάθε ςειπά τμενίψν απϋ σιρ κασηγοπίερ ατσέρ, έγινε μελέση σψν μαγνησικύν ή/και σψν οπσικύν σοτρ ιδιοσήσψν. Σα τμένια Ni/NiO αναπσόφθηκαν ςε διαυοπεσικά τποςσπύμασα με ση φπήςη μιαρ μϋνο κευαλήρ magnetron sputtering και σηρ μεθϋδοτ σηρ υτςικήρ οξείδψςηρ. Η διαςσπψμάσψςη σοτ τλικοό και η επαναληχιμϋσησα σηρ μεθϋδοτ αποδείφθηκαν εξαιπεσικήρ ποιϋσησαρ. Για τμένια Ni/NiO με διαυοπεσικϋ πάφορ ςσπύμασορ Ni έγινε εκσεσαμένη μελέση σηρ εξάπσηςηρ σηρ μαγνήσιςηρ και σηρ ανιςοσποπίαρ απϋ ση θεπμοκπαςία. Βπέθηκε ϋσι σα τμένια με λεπσά ςσπύμασα Ni εμυανίζοτν σάςη για κάθεση μαγνησική ανιςοσποπία, η οποία πποέπφεσαι απϋ σην τπολογίςιμη θεσική ανιςοσποπία επιυανείαρ ποτ επιδεικνόοτν ατσά. Σα ημιαγψγικά τμένια οξειδίψν σοτ Cu και σοτ Νi αναπσόφθηκαν μεσά απϋ οξείδψςη τμενίψν σψν ανσίςσοιφψν μεσαβασικύν μεσάλλψν. Σα άμοπυα μονψσικά τμένια SiO x αναπσόφθηκαν με ση σεφνική σηρ reactive ιονσοβολήρ. ση ςτνέφεια, μέπορ ατσύν οξειδύθηκε πλήπψρ μεσά απϋ θέπμανςη ςε θεπμοκπαςία 950 ο C και ςε πεπιβάλλον αέπα, ενύ κάποια ix

10 άλλα τποβλήθηκαν ςε θεπμική αποςόνθεςη μεσά απϋ θέπμανςη ςε ςτνθήκερ κενοό ςσοτρ 1000 ο C. Με ση διαδικαςία σηρ θεπμικήρ αποςόνθεςηρ, ϋπψρ αποδεικνόοτν και οι εικϋνερ ηλεκσπονικήρ μικποςκοπίαρ, ςφημασίζονσαι νανοκπόςσαλλοι Si ενςψμασψμένοι ςε άμοπυη μήσπα οξειδίοτ σοτ Si. Για σα τμένια σψν οξειδίψν σοτ Cu και σοτ Ni μελεσήθηκαν με ση φπήςη σηρ υαςμασοςκοπίαρ UV-VIS σα υαινϋμενα κβανσικοό πεπιοπιςμοό ποτ παποτςιάζοτν ατσά. Βπέθηκε ϋσι ςε κάθε πεπίπσψςη εμυανίζεσαι μεσασϋπιςη σηρ ακμήρ αποππϋυηςηρ ππορ μεγαλόσεπερ ενέπγειερ, καθύρ σο πάφορ σοτ τμενίοτ μειύνεσαι και γίνεσαι ςτγκπίςιμο με σην εξισονική ακσίνα Bohr σοτ ανσίςσοιφοτ τλικοό. Σα τμένια SiO x βπέθηκε ϋσι μεσά απϋ ση διαδικαςία σηρ θεπμικήρ σοτρ αποςόνθεςηρ παποτςιάζοτν υψσουψσαόγεια, η οποία πποέπφεσαι απϋ σιρ εξισονικέρ επαναςτνδέςειρ ςσιρ κβανσικέρ σελείερ Si ποτ εμπεπιέφονσαι ς ατσά. Απϋ σην επγαςία ςσα πλαίςια ατσήρ σηρ Διασπιβήρ, διαπιςσύνοτμε ϋσι μποποόμε να μεσαβάλλοτμε σιρ ιδιϋσησερ παπαδοςιακύν τλικύν, ϋπψρ είναι για παπάδειγμα σα μέσαλλα, οι κλαςςικοί ημιαγψγοί και σα οξείδια ατσύν, ϋσαν ατσά αναπσόςςονσαι τπϋ ση μοπυή νανοδομύν. Οι νανοδομέρ ατσέρ μποπεί να εμυανίζοτν εξαιπεσικϋ ενδιαυέπον για ευαπμογέρ ςε νανοδιασάξειρ με καινοόπγιερ αλλά κι ενσελύρ ελεγφϋμενερ ιδιϋσησερ. x

11 Abstract The objective of this Thesis is the growth and the characterization of high tech materials which can be possible candidates for future applications in nanodevices. In the framework of the Thesis, we were mainly focused on the production and the study of magnetic and semiconducting thin films, which are based on oxides of metals and of conventional semiconductors. The magnetic and optical characterizations reveal that these materials, in the form of thin films exhibit new properties with exceptionally large technological interest. In more detail, magnetic Ni/NiO multilayers, semiconducting Cu 2O, CuO and NiO thin films, as well as insulating amorphous SiO x thin films with or without embedded Si quantum dots, were produced. The magnetic and/or optical properties of each of the aforementioned thin film categories were studied and their impact on possible future applications was examined. The Ni/NiO multilayers were produced on various substrates with the aid of a single magnetron sputtering head and the natural oxidation process. The produced multilayers were of excellent layering and interface quality. An extended study of both the magnetization and the anisotropy as a function of the temperature and the varying Ni layer thickness was performed. It is found from the magnetic investigations, that the multilayers with thin Ni layers exhibit a trend for perpendicular magnetic anisotropy, which is attributed to the considerable positive surface anisotropy of the Ni/NiO interfaces. The semiconducting copper and nickel oxide thin films were produced via the oxidation of the corresponding metallic films. The amorphous SiO x films were fabricated via the reactive sputtering method. Part of the as deposited films was fully oxidized at 950 o C under the ambient air environment, whereas another part was thermally decomposed under vacuum conditions at 1000 o C. Electron microscopy investigations reveal that upon the thermal decomposition process of the films, xi

12 embedded Si nanocrystals are formed in the amorphous matrix of the Si oxide. The Cu and Ni oxide films exhibited quantum confinement effects, which were studied via the UV-VIS spectroscopy. The recorded spectra reveal that the absorption edge shifts towards higher energies, as the layer thickness is reduced and becomes comparable with the excitonic Bohr radius of the material. The Si oxide thin films, after the thermal decomposition treatment are found to exhibit photoluminescence at the region between 1.3 and 1.5 ev which is originated to the excitonic recombination in the embedded Si quantum dots. Finally, it is deduced that conventional materials like metals, semiconductors and the oxides of them, can exhibit new properties when they are prepared in the form of nanostructure. These nanostructures can attract a lot of interest for possible applications in nanodevices with new but completely controllable properties. xii

13 Δςσαπιζηίερ Η διασπιβή ατσή με σίσλο Ανάπστξη και φαπακσηπιςμϋρ πποηγμένψν τλικύν για νανοδιασάξειρ ππαγμασοποιήθηκε ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ σηρ Πολτσεφνικήρ φολήρ σοτ Πανεπιςσημίοτ Πασπύν. Κασά ση διάπκεια ατσήρ, ο τποχήυιορ Διδάκσψπ έκανε σιρ εξήρ ενέπγειερ: α) Επιςκετή και αναβάθμιςη θαλάμοτ ιονσοβολήρ τπεπτχηλοό κενοό για σην ανάπστξη σψν ππορ μελέση τμενίψν, β) Ανάπστξη πολτςσπψμασικύν μαγνησικύν τμενίψν, ημιαγψγικύν και μονψσικύν μονοςσπψμασικύν τμενίψν, γ) Δομικϋ, μαγνησικϋ και οπσικϋ φαπακσηπιςμϋ σψν δειγμάσψν και ανάλτςη σψν πειπαμασικύν δεδομένψν ποτ πποέκτχαν, δ) Κασάληξη ςε ππψσϋστπα αποσελέςμασα και ςτμπεπάςμασα σεφνολογικήρ και επετνησικήρ ςημαςίαρ. ση ςτνέφεια, αναυέπονσαι σα άσομα ποτ βοήθηςαν ςση πεπάσψςη σηρ διασπιβήρ μοτ και ποτ θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ: Απφικά, θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ σον επιβλέπονσα Καθηγησή μοτ κ. Κψνςσανσίνο Πολίση για σην πολόσιμη ςτνεπγαςία σοτ και σην εξαιπεσική σοτ καθοδήγηςη. Οι πολόσιμερ επιςσημονικέρ σοτ γνύςειρ, οι εμπειπίερ σοτ, καθύρ επίςηρ και οι σπϋποι καλήρ ακαδημαωκήρ ςτμπεπιυοπάρ ποτ μοτ μεσέδψςε, θα αποσελοόν για μένα σα πολτσιμϋσεπα ϋπλα ςσον σομέα σηρ επιςσημονικήρ έπετναρ και σηρ ακαδημαωκήρ καπιέπαρ. Θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ θεπμά σον κ. Παναγιύση Ποτλϋποτλο, Αναπληπψσή Καθηγησή σοτ Σμήμασορ σηρ Επιςσήμηρ σψν Τλικύν και μέλορ σηρ σπιμελοόρ ςτμβοτλετσικήρ μοτ επισποπήρ, για σην βοήθειά σοτ, σιρ ςτμβοτλέρ σοτ και σην εξαιπεσική ςτνεπγαςία ποτ είφαμε κασά ση διάπκεια σηρ επγαςίαρ μοτ ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ σηρ Πολτσεφνικήρ φολήρ σοτ Πανεπιςσημίοτ Πασπύν. xiii

14 Θα ήθελα, επίςηρ, να ετφαπιςσήςψ θεπμά σον Καθηγησή Björgvin Hjörvarsson, Ångström Laboratory, Department of Physics and Astronomy, και μέλορ σηρ σπιμελοόρ μοτ ςτμβοτλετσικήρ επισποπήρ για σιρ ςτμβοτλέρ και ση βοήθεια ποτ μοτ παπείφε κασά ση διάπκεια σηρ διασπιβήρ μοτ αλλά και κασά σην επγαςία μοτ ςσην επετνησική ομάδα σηρ οποίαρ ηγείσαι ςσο Ångström Laboratory, Department of Physics and Astronomy. Θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ θεπμά σον Επίκοτπο Καθηγησή Βαςίλειο Καπακλή, Ångström Laboratory, Department of Physics and Astronomy, για σην αποδοφή σηρ ςτμμεσοφήρ μοτ ςσο project Growth of thin films structures and magnetic characterization τπϋ σην επίβλεχή σοτ ςσα πλαίςια σοτ ππογπάμμασορ ανσαλλαγήρ σοτ Erasmus Placements. Επίςηρ, θα ήθελα ιδιαίσεπα να ετφαπιςσήςψ σον Καθηγησή σοτ Γενικοό Σμήμασορ κ. Μιφαήλ Βελγάκη, Διετθτνσή σοτ Επγαςσηπίοτ Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ, για σην τποςσήπιξή σοτ ϋλα ατσά σα φπϋνια καθύρ και για σην πολόσιμη βοήθειά σοτ ςε θέμασα θεψπησικήρ υτςικήρ. Θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ επιπλέον, σον τποχήυιο διδάκσοπα κ. πτπίδψνα Γπαμμασικϋποτλο, με σον οποίο είφαμε κασά ση διάπκεια σηρ επγαςίαρ μοτ ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ μια άπιςση ςτνεπγαςία και αλληλοβοήθεια. Σέλορ, θα ήθελα να ετφαπιςσήςψ σο Γενικϋ Σμήμα σηρ Πολτσεφνικήρ φολήρ σοτ Πανεπιςσημίοτ Πασπύν, για σο εξαιπεσικϋ ακαδημαωκϋ πεπιβάλλον, για ση δτνασϋσησα εκπϋνηςηρ ατσήρ σηρ διασπιβήρ ποτ μοτ παπείφε, καθύρ επίςηρ και για σην οικονομική σοτ τποςσήπιξη μέςψ σηρ φπημασοδϋσηςηρ σοτ σακσικοό πποϊπολογιςμοό και σοτ Σ..Μ.Ε.Δ.Ε.. Επίςηρ, ετφαπιςσύ για σην οικονομική σηρ τποςσήπιξη σην Επισποπή Επετνύν σοτ Πανεπιςσημίοτ Πασπύν μέςψ σοτ ππογπάμμασορ ΚΑΡΑΘΕΟΔΩΡΗ C.905. xiv

15 Η τλική και χτφολογική τποςσήπιξη σψν γονιύν μοτ ϋλα ατσά σα φπϋνια, απϋ σην απφή μέφπι και σο σέλορ σηρ διδακσοπικήρ μοτ διασπιβήρ, η τπομονή απϋ μέπορ σοτρ ϋπψρ επίςηρ και η ενθάππτνςη ποτ μοτ παπείφαν, τπήπξαν ανεκσίμηση βοήθεια και κτπίψρ καθοπιςσική για σην επιστφή έκβαςη σηρ διασπιβήρ μοτ. Θα ήθελα, λοιπϋν, δικαιψμασικά να αυιεπύςψ σο πϋνημα ατσϋ ςσοτρ γονείρ μοτ Δημήσπη και Νίκη. Ιοόνιορ 2013 πτπίδψν Δ. Παππάρ xv

16 xvi

17 ΠΔΡΙΔΥΟΜΔΝΑ Ετπεσήπιο φημάσψν... xxi Ετπεσήπιο Πινάκψν... xxxi Κεθάλαιο 1 Διζαγυγή Πεπίληχη Πποηγμένα Τλικά Τλικά Τχηλήρ Σεφνολογίαρ Νανοδομέρ Νανοδιασάξειρ και Τλικά Νανοσεφνολογία Γενικά Μονοςσπψμασικά / Πολτςσπψμασικά Τμένια Ευαπμογέρ Τμενίψν ςε Νανοδιασάξειρ Μαγνησικά πολτςσπψμασικά τμένια Ημιαγψγικά μονοςσπψμασικά/πολτςσπψμασικά τμένια κοπϋρ διασπιβήρ...24 Αναυοπέρ...25 Κεθάλαιο 2 Πειπαμαηικέρ ηεσνικέρ ανάπηςξηρ και σαπακηηπιζμού Πεπίληχη Ειςαγψγή Μέθοδορ Υτςικήρ Απϋθεςηρ Ασμύν Ιονσοβολήρ...34 xvii

18 2.2.1 Διαδικαςία ιονσοβολήρ Θάλαμορ ιονσοβολήρ τπεπτχηλοό κενοό όςσημα επικάλτχηρ ιονσοβολήρ μέςοτ κενοό Πειπαμασικέρ σεφνικέρ φαπακσηπιςμοό Πεπίθλαςη ακσίνψν-φ (XRD) Μεσπήςειρ ανάκλαςηρ ακσίνψν-φ (XRR) Ηλεκσπονική μικποςκοπία διεπφϋμενηρ δέςμηρ (ΣΕΜ) Μαγνησομεσπία τπεπαγύγιμηρ ςτςκετήρ κβανσικήρ ςτμβολήρ (SQUID) Μαγνησομεσπία μαγνησο-οπσικοό υαινομένοτ Kerr (ΜΟΚΕ) Υαςμασοςκοπία Οπασοό Τπεπιύδοτρ (UV - VIS) Υαςμασοςκοπία Υψσουψσαόγειαρ (PL)...54 Αναυοπέρ...58 Κεθάλαιο 3 Μαγνηηικέρ Ιδιόηηηερ Πεπίληχη Ειςαγψγή Η ςιδηπομαγνησική κασάςσαςη Μαγνησική ανιςοσποπία Θεπμοκπαςιακή εξάπσηςη σηρ ανιςοσποπίαρ Ενέπγεια μαγνησικύν λεπσύν τμενίψν Μαγνησικέρ πεπιοφέρ...76 Αναυοπέρ...78 xviii

19 Κεθάλαιο 4 Πολςζηπυμαηικά ςμένια Ni/NiO Πεπίληχη Ειςαγψγή Πειπαμασικέρ λεπσομέπειερ και δεδομένα Τμένια Ni/NiO αναπστγμένα ςε φαμηλή πίεςη Απγοό Δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ XRR Μαγνησικϋρ φαπακσηπιςμϋρ τςφέσιςη δομικύν και μαγνησικύν ιδιοσήσψν Τμένια Ni/NiO αναπστγμένα ςε τχηλή πίεςη Απγοό Δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ XRR Μαγνησικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Αναυοπέρ Κεθάλαιο 5 Λεπηά ςμένια Cu 2 O, CuO, NiO και SiO x Πεπίληχη Ειςαγψγή Cu2O, CuO, NiO και Si, SiOx Δομικέρ Ιδιϋσησερ Cu2O, CuO, NiO και Si Οπσικέρ Ιδιϋσησερ Υαινϋμενο κβανσικοό πεπιοπιςμοό Λεπσά τμένια Cu2O και CuO Ανάπστξη και δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Οπσικϋρ φαπακσηπιςμϋρ xix

20 5.6 Λεπσά τμένια NiO Ανάπστξη και δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Οπσικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Τμένια α-siox με ενςψμασψμένοτρ νανοκπτςσάλλοτρ Si Ανάπστξη και δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Οπσικϋρ φαπακσηπιςμϋρ Αναυοπέρ Κεθάλαιο 6 ςμπεπάζμαηα xx

21 ΔΤΡΔΣΗΡΙΟ ΥΗΜΑΣΧΝ Εικϋνα 1.1 φημασική αναπαπάςσαςη σηρ δομήρ ενϋρ πολτςσπψμασικοό λεπσοό τμενίοτ. Πάνψ ςσο τπϋςσπψμα εναποσίθενσαι, διαδοφικά, τμένια σοτ τλικοό Α και τμένια σοτ τλικοό Β με σο επιθτμησϋ πάφορ. Σο πάφορ σηρ πεπιϋδοτ είναι Λ και σο ολικϋ πάφορ είναι Ν x Λ....7 Εικϋνα 1.2 (α) φημασικϋ διάγπαμμα σψν σεφνολογιύν μαγνησικήρ εγγπαυήρ και σψν ανσιςσοίφψν πτκνοσήσψν εγγπαυήρ ςε bit/in 2. (β) Φπονολογικϋ διάγπαμμα σηρ σεφνολογίαρ σψν κευαλύν ανάγνψςηρ και σψν τλικύν ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ς ατσέρ, ϋπψρ επίςηρ και ςσο τλικϋ εγγπαυήρ Εικϋνα 1.3 Εικϋνα 1.4 φημασική αναπαπάςσαςη σηρ δομήρ μιαρ ςτμβασικήρ spinvalve GMR φημασική αναπαπάςσαςη μιαρ ςτμβασικήρ μνήμηρ MRAM, ϋποτ υαίνονσαι για διετκπινιςσικοόρ λϋγοτρ 4 κελιά μνήμηρ (4-bits) Εικϋνα 1.5 (α) Απλϋ κβανσικϋ υπεάσιο GaAs/AlGaAs σο οποίο ςφημασίζεσαι με κασάλληλη διαδικαςία μεσαξό δόο ςσπψμάσψν AlGaAs. σο κασύσεπο μιςϋ σηρ εικϋναρ δίνεσαι σο διάγπαμμα μεσαβολήρ σηρ ζύνηρ ςθένοτρ και σηρ ζύνηρ αγψγιμϋσησαρ ςτναπσήςει σηρ απϋςσαςηρ z. (β) Ανσίςσοιφο διάγπαμμα για ένα πολλαπλϋ κβανσικϋ υπεάσιο GaAs/AlGaAs Εικϋνα 2.1 Υψσογπαυία σοτ θαλάμοτ κενοό ϋποτ υαίνονσαι: (α) Η πεπιςσπουική ανσλία, (β) Η ςσποβιλομοπιακή ανσλία, (γ) Η κευαλή ιονσοβολήρ και (δ) Σα ϋπγανα ακπιβείαρ για σην μέσπηςη σοτ κενοό Εικϋνα 2.2 H ςτςκετή d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ, σόποτ SCD 040 σοτ οίκοτ Balzers ποτ φπηςιμοποιείσαι για επικαλόχειρ. Η ςτςκετή έφει σποποποιηθεί κασάλληλα για σην επίσετξη κενοό σηρ σάξηρ σψν 10-5 mbars Εικϋνα 2.3 (α) φημασική απεικϋνιςη σηρ γεψμεσπίαρ ενϋρ πεπιθλαςίμεσποτ. Με κϋκκινο αναπαπιςσάσαι σο δείγμα ππορ xxi

22 μέσπηςη και με μπλε ο αιςθησήπαρ μέσπηςηρ, (β) Υψσογπαυία πεπιθλαςίμεσποτ κϋνεορ σόποτ Berthold. σην υψσογπαυία είναι οπασά: (a) σο κανϋνι ακσίνψν-φ, (b) η γψνιομεσπική σπάπεζα και (c) ο ανιφνετσήρ ακσινύν-φ σόποτ Geiger-Müller Εικϋνα 2.4 Εικϋνα 2.5 Εικϋνα 2.6 Διάγπαμμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ, για σο τπάπφον ςσο επγαςσήπιο ππϋστπο Si απϋ σην ASTM, ποτ φπηςιμοποιήθηκε για σην βαθμονϋμηςη σοτ γψνιομέσποτ σηρ ςτςκετήρ. Η ςόγκπιςη σψν μεσποόμενψν γψνιύν πεπίθλαςηρ για σην βαθμονϋμηςη σοτ γψνιομέσποτ, γίνεσαι με σιρ γψνίερ πεπίθλαςηρ απϋ σο ππϋστπο σηρ ASTM (α) Αυαιπεσικϋ διάγπαμμα λεισοτπγίαρ σοτ μικποςκοπίοτ ΣΕΜ ϋποτ υαίνεσαι και η διαδπομή σηρ δέςμηρ σψν ηλεκσπονίψν και (β) όνθεσο διάγπαμμα σηρ σοπολογίαρ σψν εξαπσημάσψν ποτ διαθέσει σο μικποςκϋπιο ΣΕΜ φημασικϋ διάγπαμμα σοτ μαγνησομέσποτ SQUID: (α) φήμα ϋποτ υαίνεσαι η σοπολογία σψν πηνίψν μέσπηςηρ καθύρ επίςηρ και η θέςη σοτ δείγμασορ. (β) Αυαιπεσικϋ διάγπαμμα σψν ηλεκσπονικύν μεσασποπήρ σηρ μαγνησικήρ ποήρ ςε ςήμα σάςηρ. Η καπδιά σοτ ςτςσήμασορ ατσοό είναι η επαυή Josephson Εικϋνα 2.7 φημασικϋ διάγπαμμα σοτ μαγνησομέσποτ ΜΟΚΕ. Αναπαπίςσανσαι ςφημασικά ο ηλεκσπομαγνήσηρ ποτ ελέγφεσαι απϋ κασάλληλα ηλεκσπονικά ιςφόορ, καθύρ επίςηρ και σο ςόςσημα μέσπηςηρ σηρ ςσπουήρ Kerr Εικϋνα 2.8 φημασικϋ διάγπαμμα ενϋρ υαςμασουψσϋμεσποτ αποππϋυηςηρ οπασοό τπεπιύδοτρ. Η ακσίνα σοτ υψσϋρ ποτ παπάγεσαι απϋ σην κασάλληλη πηγή κασετθόνεσαι με ση βοήθεια ειδικύν κασϋπσπψν Εικϋνα 2.9 (α) Υψσογπαυία σηρ οπσικήρ σπάπεζαρ σηρ διάσαξηρ μέσπηςηρ υψσουψσαόγειαρ. Υαίνονσαι σα οπσικά εξαπσήμασα και σα κόπια ςσοιφεία ποτ σην αποσελοόν. Είναι οπασϋ σο laser Ar + οπσικήρ διέγεπςηρ σψν δειγμάσψν, ϋπψρ επίςηρ κι ο κπτοςσάσηρ για ση μέσπηςη ατσύν ςε φαμηλή xxii

23 θεπμοκπαςία. (β) φημασικϋ διάγπαμμα σηρ διάσαξηρ μέσπηςηρ υψσουψσαόγειαρ. Σο διάγπαμμα πποέπφεσαι απϋ σην αναυοπά. Για κάθε εξάπσημα ποτ παποτςιάζεσαι δίνεσαι και η ανσίςσοιφη πεπιγπαυή Εικϋνα 3.1 Εικϋνα 3.2 Εικϋνα 4.1 Εικϋνα 4.2 Στπικϋρ μαγνησικϋρ βπϋφορ ενϋρ ςιδηπομαγνησικοό τλικοό, ϋποτ υαίνεσαι ςφημασικά ο οπιςμϋρ σψν παπαμέσπψν: M s, M r, H c και H s φημασική αναπαπάςσαςη, ϋποτ υαίνονσαι ςε διαντςμασική μοπυή η μαγνήσιςη σοτ τλικοό M, σο ευαπμοζϋμενο εξψσεπικϋ πεδίο H καθύρ επίςηρ και οι γψνίερ ατσύν ψρ ππορ ση κάθεσο σοτ μαγνησικοό τμενίοτ Υάςμασα XRR σψν Ni/NiO πολτςσπψμασικύν τμενίψν. Σα φπψμασιςσά ςόμβολα ανσιςσοιφοόν ςσα πειπαμασικά δεδομένα, ενύ οι ςτμπαγείρ μαόπερ γπαμμέρ είναι οι εξομοιύςειρ ποτ έγιναν με ση βοήθεια σοτ κύδικα GenX. Όλα σα υάςμασα έφοτν μεσασοπιςσεί ςσον κάθεσο άξονα έσςι ύςσε να είναι ετανάγνψςσα. Σα αποσελέςμασα απϋ σιρ θεψπησικέρ εξομοιύςειρ σψν πειπαμασικύν αποσελεςμάσψν ςτγκενσπύνονσαι ςσο Πίνακα Βπϋφοι τςσέπηςηρ τμενίψν Ni/NiO κασαγεγπαμμένψν με ση βοήθεια SQUID ςε θεπμοκπαςία 5 ο Κ. Διακπίνονσαι δόο πεπιπσύςειρ ϋποτ: (α) Σο πεδίο ευαπμϋζεσαι παπάλληλα ςσην επιυάνεια σοτ τμενίοτ (επτθπή γπαμμή-σεσπάγψνο ςόμβολο) και (β) Σο πεδίο ευαπμϋζεσαι κάθεσα ςσην επιυάνεια σοτ τμενίοτ (κτανή γπαμμή-κτκλικϋ ςόμβολο). ε κάθε διάγπαμμα αναγπάυονσαι, επίςηρ, σο πάφορ σοτ ςσπύμασορ Ni και ο απιθμϋρ σψν επαναλήχεψν. Η μαγνήσιςη Μ είναι ανηγμένη ςσον ςτνολικϋ ϋγκο σψν ςσπψμάσψν σοτ Ni Εικϋνα 4.3 φημασική αναπαπάςσαςη μίαρ πεπιϋδοτ Λ σψν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO. Mε ςκοόπο-γκπι φπύμα αναπαπίςσασαι σο ςσπύμα σοτ Ni, με καυέ σα ςσπύμασα σοτ μη μαγνησικοό Ni και με ανοιφσϋ-γκπι σο NiO xxiii

24 Εικϋνα 4.4 Διάγπαμμα σοτ M st Ni ςτναπσήςει σοτ t Ni για πολτςσπψμασικά τμένια Ni/NiO. Σα πειπαμασικά δεδομένα αναπαπίςσανσαι με κόκλοτρ ςσατποόρ και έφοτν μεσπηθεί ςε θεπμοκπαςία Σ = 5 Κ. Με κϋκκινη ςτμπαγή γπαμμή υαίνεσαι η βέλσιςση γπαμμική πποςομοίψςη σψν πειπαμασικύν δεδομένψν. Απϋ σην ανάλτςη πποκόπσει ϋσι πεπίποτ 0.3 nm Ni ςε κάθε διεπιυάνεια είναι μη μαγνησικϋ Εικϋνα 4.5 Βπϋφοι τςσέπηςηρ για ευαπμοζϋμενο εξψσεπικϋ πεδίο παπάλληλο και κάθεσο ςσο επίπεδο σοτ πολτςσπψμασικοό τμενίοτ με t Ni = 2.5 nm και για θεπμοκπαςίερ Σ=5, 150, 300 Κ. Υαίνεσαι ξεκάθαπα ϋσι με σην αόξηςη σηρ θεπμοκπαςίαρ η σάςη σοτ ςτςσήμασορ για κάθεση μαγνησική ανιςοσποπία υθίνει Εικϋνα 4.6 Διάγπαμμα σηρ κανονικοποιημένηρ ψρ ππορ T = 5K μαγνήσιςηρ ςτναπσήςει σηρ θεπμοκπαςίαρ Σ (Κ). Η ςτνεφήρ και διακεκομμένη γπαμμή είναι οι θεψπησικέρ πποςομοιύςειρ σψν πειπαμασικύν ςημείψν για t Ni = 6.1 nm και t Ni = 2.5 nm με ση βοήθεια σοτ νϋμοτ σοτ Bloch. σο ίδιο διάγπαμμα παποτςιάζονσαι για λϋγοτρ ςόγκπιςηρ οι ανσίςσοιφερ σιμέρ σοτ ςτμπαγοόρ Ni, με βάςη σην αναυοπά Εικϋνα 4.7 Διαγπάμμασα κανονικοποιημένηρ μονοαξονικήρ μαγνησικήρ ανιςοσποπίαρ (κλειςσά ςόμβολα) και κανονικοποιημένηρ μαγνήσιςηρ ςση δόναμη Γ (ανοιφσά ςόμβολα - γπαμμή) ςτναπσήςει σηρ θεπμοκπαςίαρ Σ και για διαυοπεσικά πάφη t Ni Εικϋνα 4.8 Διαγπάμμασα σοτ K eff t Ni ςτναπσήςει σοτ t Ni για πολτςσπψμασικά τμένια Ni/NiO για διαυοπεσικέρ θεπμοκπαςίερ. Σα πειπαμασικά δεδομένα αναπαπίςσανσαι με ςόμβολα, ενύ με ςτμπαγείρ γπαμμέρ οι βέλσιςσερ γπαμμικέρ πποςομοιύςειρ σψν ππύσψν. ε κάθε πεπίπσψςη φπηςιμοποιείσαι διαυοπεσικϋ φπύμα για διαυοπεσικέρ θεπμοκπαςίερ. Σα πειπαμασικά δεδομένα ποτ αναπαπίςσανσαι με ανοιφσά ςόμβολα είναι ατσά ποτ αποκλίνοτν απϋ σιρ θεψπησικέρ ετθείερ xxiv

25 Εικϋνα 4.9 (α) TEM εικϋνα κάθεσηρ σομήρ ενϋρ Νi/NiO τμενίοτ 10 επαναλήχεψν, με άπιςσηρ ποιϋσησαρ διαςσπψμάσψςη και πάφορ t Ni = 3.5 nm. (β) SAD εικϋνα απϋ πεπιοφή κονσά ςση διεπιυάνεια Si/SiO 2/τμενίοτ. Υαίνεσαι η νανοκπτςσαλλική δομή σψν ςσπψμάσψν σοτ Ni καθύρ επίςηρ και οι πεπιθλάςειρ ποτ ανσιςσοιφοόν ςσο Si σοτ τποςσπύμασορ και σοτ υτςικοό οξειδίοτ. (γ) HRTEM εικϋνα κάθεσηρ σομήρ ενϋρ νανοκπτςσάλλοτ Ni ποτ ανσιςσοιφεί ςσο ςσπύμα Ni. O κπόςσαλλορ έφει πάφορ πεπίποτ ίςο με σο πάφορ σοτ τμενίοτ Εικϋνα 4.10 Εικϋνα 4.11 Εικϋνα 4.12 (α) HRTEM εικϋνα σοτ τμενίοτ 10 επαναλήχεψν και πάφορ t Ni = 3.5 nm. Υαίνονσαι με βέλη σα ςσπύμασα Ni και NiO, ενύ με κόκλοτρ δείφνονσαι δόο κπόςσαλλοι Ni. (β) Φαπσογπάυηςη σψν σάςεψν μέςα ςσοτρ κϋκκοτρ Ni ποτ υαίνονσαι ςσην εικϋνα (α) και (γ) σο ανσίςσοιφο διάγπαμμα σάςηρ % ςτναπσήςει σηρ θέςηρ μέςα ςσον κϋκκο για σον κτκλψμένο πάνψ κϋκκο Ni. 106 (α) TEM εικϋνα κάθεσηρ σομήρ ενϋρ πολτςσπψμασικοό Ni/NiO τμενίοτ με 21 επαναλήχειρ και πάφορ t Ni = 0.96 nm. Δεν τπάπφοτν ςαυήρ διεπιυάνειερ μεσαξό σψν τμενίψν Ni και NiO. (β) SAD εικϋνα ςση πεπιοφή κονσά ςσιρ διεπιυάνειερ Si/SiO 2/τμένιο. Δεν υαίνονσαι πεπιθλάςειρ απϋ κπτςσάλλοτρ Ni παπά μϋνο ατσέρ σοτ Si. (γ) HRTEM εικϋνα κάθεσηρ σομήρ ςση πεπιοφή κονσά ςσο τπϋςσπψμα σοτ Si. Υαίνεσαι έναρ κϋκκορ Ni, ο οποίορ εμπεπιέφεσαι ςε μια μήσπα Ni/NiO. (δ) HRTEM εικϋνα ποτ δείφνει κολονοειδή ανάπστξη σοτ τμενίοτ. Με μαόπα βέλη υαίνονσαι σα διακπισά ϋπια μεσαξό σψν ςσηλύν, σα οποία διαπεπνοόν ϋλο σο τμένιο Υάςμασα XRR πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO σα οποία αναπσόφθηκαν ςε τχηλέρ πιέςειρ Ar. ε κάθε υάςμα αναγπάυεσαι με ση μοπυή γινομένοτ N x Λ σο ολικϋ πάφορ σοτ τμενίοτ, ϋποτ Ν είναι ο απιθμϋρ σψν επαναλήχεψν και Λ είναι σο πάφορ σηρ πεπιϋδοτ. Είναι αξιοππϋςεκσο σο γεγονϋρ ϋσι εμυανίζονσαι κποςςοί Kiessig ακϋμη και για σο τμένιο με πάφορ 120 nm, ππάγμα σο οποίο υανεπύνει μικπή επιυανειακή σπαφόσησα xxv

26 Εικϋνα 4.13 Εικϋνα XTEM ενϋρ πολτςσπψμασικοό τμενίοτ Ni/NiO, αναπστγμένοτ τπϋ τχηλή πίεςη Ar. Είναι εμυανείρ οι δόο διαυοπεσικοό σπϋποι ανάπστξηρ σοτ τμενίοτ: πολτςσπψμασική ανάπστξη και κολονοειδήρ ανάπστξη τμενίοτ. Σα μαόπα βέλη ςση υψσογπαυία δείφνοτν σα ϋπια μεσαξό δόο διαδοφικύν κολϋνψν. σην ένθεση εικϋνα SAD υαίνονσαι απϋ σιρ ανσίςσοιφερ ανακλάςειρ οι δόο σπϋποι ανάπστξηρ Εικϋνα 4.14 Εικϋνα 4.15 Εικϋνα 4.16 Εικϋνα 5.1 Εικϋνα 5.2 Εικϋνα 5.3 Βπϋφοι τςσέπηςηρ για παπάλληλο και κάθεσο ευαπμοζϋμενο πεδίο ςσην επιυάνεια σοτ τμενίοτ: (α) Με Ν = 7 και Λ = 6.8 nm, (β) Με Ν = 7 και Λ = 7.7 nm Βπϋφοι τςσέπηςηρ για παπάλληλο και κάθεσο ευαπμοζϋμενο πεδίο ςσην επιυάνεια σοτ τμενίοτ, για ένα παφό πολτςσπψμασικϋ τμένιο Νi/NiO με Ν = 42 και Λ = 9.3 nm..116 GPA ανάλτςη απϋ σο πολτςσπψμασικϋ σμήμα σοτ τμενίοτ ποτ υαίνεσαι ςσην Εικϋνα (α) ΗRTEM εικϋνα ποτ δείφνει έναν νανοκϋκκο Ni (δείφνεσαι με άςππο κόκλο), (β) και (γ) εικϋνα υάςηρ και σοπογπαυία παπαμενοτςύν σάςεψν, (δ) ππουίλ σηρ κασανομήρ σψν σάςεψν μέςα ςσον κϋκκο Νi Μοναδιαίερ κτχελίδερ σψν ενύςεψν Cu 2O και CuO. Η ππύση έφει κτβική δομή, ενύ η δεόσεπη ανήκει ςσο μονοκλινέρ κπτςσαλλικϋ ςόςσημα. Σα άσομα σοτ Cu και σοτ Ο αναπαπίςσανσαι με διαυοπεσικϋ φπύμα α) Αναπαπάςσαςη φημικοό δεςμοό μεσαξό ενϋρ κασιϋνσορ Cu κι ενϋρ ανιϋνσορ Ο ςσην ένψςη Cu 2O. Η ζύνη ςθένοτρ αποσελείσαι απϋ πλήπψρ κασειλημμένα τβπιδικά σποφιακά, β) Διάγπαμμα ϋποτ υαίνονσαι οι μεσαβάςειρ απϋ σιρ ζύνερ ςθένοτρ ςσιρ ζύνερ αγψγιμϋσησαρ. Σα διαγπάμμασα έφοτν κασαςκεταςσεί ςόμυψνα με σην αναυοπά Διάγπαμμα σοτ παπάγονσα αποππϋυηςηρ ςτναπσήςει σηρ ενέπγειαρ. Σο διάγπαμμα πποήλθε απϋ μεσπήςειρ οπσικήρ ανάκλαςηρ ςε μονοκπτςσάλλοτρ NiO απϋ σοτρ Powell and Spicer xxvi

27 Εικϋνα 5.4 Εικϋνα 5.5 Εικϋνα 5.6 Εικϋνα 5.7 Εικϋνα 5.8 Εικϋνα 5.9 Δομή σψν ενεπγειακύν ζψνύν σοτ Si κασά σιρ διετθόνςειρ (111) και (100). Απϋ σο διάγπαμμα είναι υανεπϋ ϋσι σο ενεπγειακϋ φάςμα (Ε g) σοτ Si είναι έμμεςο και η σιμή σοτ είναι 1.1 ev. Οι ενεπγειακέρ αποςσάςειρ, σψν ζψνύν ςθένοτρ και αγψγιμϋσησαρ, Ε 1 και Ε 2 έφοτν σιμέρ 3.5 και 4.3 ev ανσιςσοίφψρ. Σο ςφήμα πποέπφεσαι απϋ σην αναυοπά φημασική αναπαπάςσαςη σηρ πτκνϋσησαρ κασαςσάςεψν διαυϋπψν νανοδομύν. Για κάθε πεπίπσψςη αναγπάυεσαι και η μαθημασική μοπυή σψν κασαςσάςεψν XRR μέσπηςη ενϋρ τμενίοτ Cu, η οποία φπηςιμοποιήθηκε για ση βαθμονϋμηςη σοτ πτθμοό εναπϋθεςηρ σηρ ςτςκετήρ ιονσοβολήρ. Σα πειπαμασικά δεδομένα απεικονίζονσαι με κτανοόρ-ανοιφσοόρ κόκλοτρ, ενύ η ςτνεφήρ κϋκκινη γπαμμή είναι η θεψπησική εξομοίψςη σοτ υάςμασορ με ση βοήθεια σοτ λογιςμικοό GenX. Σο πάφορ σοτ τμενίοτ Cu τπολογίζεσαι να είναι 33 nm, ενύ σο επιυανειακϋ υτςικϋ οξείδιο να έφει πάφορ 1.4 nm XRD υάςμασα ενϋρ λεπσοό τμενίοτ Cu ππιν και μεσά σην οξείδψςή σοτ ςσοτρ 230 ο C και ςσοτρ 450 o C. Παπασηπείσαι ςφημασιςμϋρ μονουαςικοό τποξειδίοτ (Cu 2O) και οξειδίοτ (CuO) σοτ φαλκοό, ανσιςσοίφψρ ςε κάθε θεπμοκπαςία. Οι κάθεσερ γπαμμέρ ανσιςσοιφοόν ςε δείγμασα αναυοπάρ πολτκπτςσαλλικήρ κϋνεψρ Cu, Cu 2O και CuΟ Υάςμα αποππϋυηςηρ ςση πεπιοφή οπασοό τπεπιύδοτρ λεπσύν τμενίψν Cu 2O ποτ αναπσόφθηκαν ςε τπϋςσπψμα άμοπυοτ φαλαζία. Σο ανσίςσοιφο πάφορ σοτ τμενίοτ Cu 2O αναγπάυεσαι ςε κάθε καμπόλη ξεφψπιςσά. Όλα σα υάςμασα έφοτν κανονικοποιηθεί ςση μονάδα και έφοτν μεσασοπιςσεί ςσον κάθεσο άξονα, έσςι ύςσε να είναι ετπαποτςίαςσα Ππύση παπάγψγορ σψν υαςμάσψν αποππϋυηςηρ για σα τμένια Cu 2O με πάφορ 5.4 nm και 1.4 nm. H μεγάλη μεσασϋπιςη σηρ ακμήρ αποππϋυηςηρ ππορ σιρ τχηλϋσεπερ ενέπγειερ είναι υανεπή xxvii

28 Εικϋνα 5.10 Διάγπαμμα ποτ δείφνει ση μεσασϋπιςη σηρ ακμήρ αποππϋυηςηρ ππορ σιρ μεγαλόσεπερ ενέπγειερ ϋςο σο πάφορ σοτ τμενίοτ Cu 2O μειύνεσαι. Με κϋκκινο κόκλο-ςσατπϋ παποτςιάζονσαι σα πειπαμασικά ςημεία, ενύ με μπλε σπίγψνα σα ςημεία ποτ τπολογίςσηκαν με ση μέθοδο ΕΜΑ για σιμή ανηγμένηρ μάζαρ ηλεκσπονίοτ-οπήρ ίςη με 0.37m o Εικϋνα 5.11 Υάςμα αποππϋυηςηρ ςση πεπιοφή οπασοό τπεπιύδοτρ λεπσύν τμενίψν CuO ποτ αναπσόφθηκαν πάνψ ςε τπϋςσπψμα Corning. Σο ανσίςσοιφο πάφορ σοτ τμενίοτ αναγπάυεσαι ςε κάθε καμπόλη ξεφψπιςσά. Όλα σα υάςμασα έφοτν κανονικοποιηθεί ςση μονάδα Εικϋνα 5.12 Διάγπαμμα ποτ δείφνει ση μεσασϋπιςη σηρ ακμήρ αποππϋυηςηρ ππορ σιρ μεγαλόσεπερ ενέπγειερ ϋςο σο πάφορ σοτ τμενίοτ CuO μειύνεσαι. Με μπλε κόκλο-ςσατπϋ παποτςιάζονσαι σα πειπαμασικά ςημεία, ενύ η διακεκομμένη γπαμμή μαόποτ φπύμασορ αποσελεί έναν οδηγϋ για σο μάσι Εικϋνα 5.13 Εικϋνα 5.14 Υάςμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν Φ μικπήρ γψνίαρ ππϋςπσψςηρ ενϋρ: (a) τμενίοτ Ni με 8.6 nm πάφορ ππιν σην οξείδψςη, σο οποίο εναποσέθηκε πάνψ γταλί corning και (b) σο ίδιο τμένιο μεσά σην οξείδψςη ςσοτρ 600 ο C για 15 min ςε πεπιβάλλον εξψσεπικήρ ασμϋςυαιπαρ. Σο πάφορ σοτ τμενίοτ Ni μεσά σην οξείδψςη τπολογίζεσαι να είναι 14.3 nm Πάνψ υάςμα: Υάςμα ακσίνψν-φ ενϋρ τμενίοτ Ni με πάφορ 156 nm σο οποίο αναπσόφθηκε πάνψ ςε γταλί Corning με σην σεφνική σηρ d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ. Κάσψ υάςμα: Υάςμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν x σοτ ίδιοτ τμενίοτ μεσά απϋ οξείδψςη ςσοτρ 600 o C για 15 min. Παπασηπείσαι ο ςφημασιςμϋρ τχηλήρ κπτςσαλλικϋσησαρ fcc NiO μεσά ση διαδικαςία σηρ οξείδψςηρ, ενύ δεν παπασηπείσαι ίφνορ ςφημασιςμοό άλλψν ενύςεψν Ni-O. σο ίδιο διάγπαμμα υαίνονσαι για ςόγκπιςη και οι γψνίερ σψν δειγμάσψν αναυοπάρ κϋνεψν Νi και NiO xxviii

29 Εικϋνα 5.15 Εικϋνα 5.16 Εικϋνα 5.17 Εικϋνα 5.18 Υάςμασα αποππϋυηςηρ υψσϋρ 5 λεπσύν τμενίψν NiO διαυοπεσικοό πάφοτρ, σα οποία έφοτν εναποσεθεί πάνψ ςε τποςσπύμασα άμοπυοτ φαλαζία. Η θέςη σηρ ακμήρ αποππϋυηςηρ ςε κάθε υάςμα δίνεσαι με ένα κϋκκινο πομβοειδέρ ςόμβολο, ενύ η μεσασϋπιςή σηρ δείφνεσαι με κάθεσα διακεκομμένα βέλη (α) Ππύση παπάγψγορ σοτ υάςμασορ αποππϋυηςηρ ενϋρ τμενίοτ NiO με πάφορ 23.8 nm και (β) ενϋρ με πάφορ 3.74 nm. Σο ςημείο σοτ μεγίςσοτ μποπεί να θεψπηθεί ψρ σο ενεπγειακϋ φάςμα σοτ ημιαγψγοό. Σα ϋπια σοτ ςυάλμασορ πποςδιοπιςμοό σοτ ενεπγειακοό φάςμασορ δίνονσαι απϋ σιρ ακπαίερ κάθεσερ γπαμμέρ. Η μεςαία ανσιςσοιφεί ςση μέςη σοτ διαςσήμασορ ατσοό Μεσασϋπιςη σοτ ενεπγειακοό φάςμασορ σψν τμενίψν NiO ππορ μικπϋσεπερ ενέπγειερ ςτναπσήςει σοτ πάφοτρ σοτρ. Η μέγιςση μεσασϋπιςη παπασηπείσαι για σο λεπσϋσεπο απϋ σα τμένια και τπολογίζεσαι ςσα 275 ev με πεπιθύπιο ςυάλμασορ ± 55 ev. H πποςομοίψςη σψν πειπαμασικύν δεδομένψν με ση μέθοδο ΕΜΑ υαίνεσαι επίςηρ ςσο ίδιο διάγπαμμα με διαυοπεσικά φπύμασα για διαυοπεσικά μ Υάςμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ μικπήρ γψνίαρ ππϋςπσψςηρ ενϋρ τμενίοτ SiO x με Si/O = 0.79 και πάφορ nm. To υάςμα κασαγπάυηκε αμέςψρ μεσά σην εναπϋθεςη με ση μέθοδο reactive ιονσοβολήρ. Η εμυάνιςη σψν κποςςύν Kiessig αποσελεί ένδειξη ομοιογένειαρ σοτ τμενίοτ και μικπήρ σπαφόσησαρ. Σο τμένιο έφει εναποσεθεί πάνψ ςε τπϋςσπψμα (001) Si. Η εξομοίψςη σψν πειπαμασικύν δεδομένψν έγινε με ση βοήθεια σοτ λογιςμικοό GenX Εικϋνα 5.19 (α) HRTEM υψσογπαυία ενϋρ SiO x τμενίοτ με Si/O = Παπασηπείσαι μια ςτνεφήρ και ομοιογενήρ ανάπστξη σοτ τλικοό. Σο τμένιο είναι πλήπψρ άμοπυο και δεν παπασηπείσαι ίφνορ κπτςσαλλικϋσησαρ, (β) Σο ίδιο τμένιο μεσά απϋ οξείδψςη ςσοτρ 950 ο C για 30 min. To τμένιο έφει λϋγο Si/O = 0.48 (πποκόπσει δηλαδή ςφημασιςμϋρ SiO 2), ενύ xxix

30 παπασηπείσαι ο ςφημασιςμϋρ πολό μικπύν και απαιύν νανοκπτςσάλλψν Si με κακή κπτςσαλλικϋσησα Εικϋνα 5.20 HRTEM υψσογπαυίερ ενϋρ: (α) τμενίοτ SiO x με Si/O = 0.57 μεσά απϋ θέπμανςη ςσοτρ 1000 ο C για 1 h ςε πεπιβάλλον καθαποό Ar. Παπασηπείσαι ο ςφημασιςμϋρ απαιύν άμοπυψν ςτςςψμασψμάσψν Si με μέγεθορ 3 5 nm, (β) σοτ ίδιοτ τμενίοτ μεσά απϋ θέπμανςη ςσοτρ 1000 ο C για 4 h ςε πεπιβάλλον καθαποό Ar. Ο λϋγορ ατσή ση υοπά Si/O είναι Παπασηπείσαι ο ςφημασιςμϋρ απομονψμένψν κπτςσαλλικύν νανοςψμασιδίψν Si με μέγεθορ κασά μέςο ϋπο ~ 5 nm και απκεσά μεγάλη πτκνϋσησα Εικϋνα 5.21 Υάςμασα υψσουψσαόγειαρ σψν τμενίψν SiO x ποτ αναπσόφθηκαν με λϋγοτρ P αέπα/p Ar = 0.25 και P αέπα/p Ar = 0.5. Οι ςτνεφείρ γπαμμέρ ανσιςσοιφοόν ςσα υάςμασα σψν τμενίψν ππιν σην θέπμανςη ατσύν. Οι διακεκομμένερ γπαμμέρ ανσιςσοιφοόν ςσα υάςμασα σψν ίδιψν τμενίψν μεσά σην θέπμανςη ςσοτρ 950 o C για 30 min Εικϋνα 5.22 Υάςμασα υψσουψσαόγειαρ για σο τμένιο ποτ τποβλήθηκε ςε θεπμική αποςόνθεςη ςε πεπιβάλλον Ar για 1 και για 4 h ςσοτρ 1000 ο C. Για σο υάςμα ποτ ανσιςσοιφεί ςσην ανϋπσηςη σψν 4 h γίνεσαι η ανάλτςή σοτ ςε ζύνερ (ππάςινερ διακεκομμένερ γπαμμέρ) xxx

31 ΔΤΡΔΣΗΡΙΟ ΠΙΝΑΚΧΝ Πίνακαρ 4.1 Πίνακαρ 4.2 τγκενσπψσικϋρ πίνακαρ ϋποτ παποτςιάζονσαι οι σιμέρ σοτ πάφοτρ και σηρ σπαφόσησαρ σψν ςσπψμάσψν Ni και NiO, οι οποίερ πποήλθαν απϋ σην θεψπησική εξομοίψςη σψν XRR υαςμάσψν. Οι εξομοιύςειρ ατσέρ έγιναν με σην βοήθεια σοτ κύδικα GenX. Οι μη πεαλιςσικέρ σιμέρ σηρ σπαφόσησαρ για σα πολτςσπψμασικά τμένια με πολό μικπέρ σιμέρ πάφοτρ ςσπύμασορ Ni ςφεσίζονσαι με ση μεσάβαςη απϋ ση ςτνεφή διαςσπψμάσψςη σοτ Ni ςση μη ςτνεφή, ϋπψρ θα δειφθεί ςσο τποκευάλαιο Δομικά και μαγνησικά φαπακσηπιςσικά σψν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO καθύρ επίςηρ κι ενϋρ τμενίοτ Ni αναυοπάρ, σα οποία αναπστφθήκαν κάσψ απϋ σιρ ίδιερ πειπαμασικέρ ςτνθήκερ xxxi

32 xxxii

33 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ Κεθάλαιο 1 Διζαγυγή Περίληψη σο κευάλαιο ατσϋ, σο οποίο αποσελεί σην ειςαγψγή σηρ θέςηρ ατσήρ, παποτςιάζονσαι απφικά κάποιερ βαςικέρ ειςαγψγικέρ έννοιερ κι ϋποι ποτ θα μαρ απαςφολήςοτν ςσα επϋμενα κευάλαια. Οι δόο βαςικϋσεποι απϋ ατσοόρ σοτρ ϋποτρ είναι οι νανοδομέρ και σα λεπσά τμένια ειδικϋσεπα, ϋποτ ο δεόσεπορ αποσελεί τποκασηγοπία σοτ ππύσοτ. Γίνεσαι, λοιπϋν, η παποτςίαςη σψν σεφνολογικύν ευαπμογύν ποτ έφοτν σα λεπσά τμένια μαγνησικύν ή ημιαγψγικύν τλικύν. Σα τμένια ατσά μποπεί να είναι μονοςσπψμασικά ενύ ςτνήθψρ ςε σεφνολογικέρ ευαπμογέρ φπηςιμοποιοόνσαι πολτςσπψμασικά τμένια διαυοπεσικύν τλικύν και γενικϋσεπα πιο ςόνθεσερ νανοδομέρ. Γίνεσαι ιςσοπική αναδπομή και αναυέπεσαι σο ςόγφπονο σεφνολογικϋ ενδιαυέπον ατσύν σψν νανοδομύν, ϋπψρ επίςηρ και σψν τλικύν ποτ φπηςιμοποιοόνσαι για σην ανάπστξή σοτρ. Ο ςκοπϋρ ατσήρ σηρ διασπιβήρ είναι η ανάπστξη μονοςσπψμασικύν τμενίψν οξειδίψν ημιαγψγύν, οξειδίψν μεσαβασικύν μεσάλλψν και πολτςσπψμασικύν τμενίψν μεσαβασικύν μεσάλλψν / οξειδίψν μεσαβασικύν μεσάλλψν, ϋπψρ επίςηρ και η μελέση σψν μαγνησικύν και οπσικύν σοτρ ιδιοσήσψν. Πιο ςτγκεκπιμένα, γίνεσαι αναλτσική μελέση σψν ιδιοσήσψν σοτ πολτςσπψμασικοό μαγνησικοό ςτςσήμασορ Νi/NiO, σψν ημιαγψγικύν μονοςσπψμασικύν τμενίψν Cu 2O, CuO, NiO και σψν μονοςσπψμασικύν τμενίψν SiO x με νανοκπτςσαλλικά εγκλείςμασα Si. Παποτςιάζονσαι αναλτσικά ϋλερ εκείνερ οι ξεφψπιςσέρ μαγνησικέρ και οπσικέρ ιδιϋσησερ οι οποίερ καθιςσοόν σιρ νανοδομέρ ατσέρ τποχήυιερ για σεφνολογικέρ ευαπμογέρ. 1

34 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ 1.1 Πποηγμένα Τλικά Τλικά Ττηλήρ Σεσνολογίαρ Ο ϋπορ τχηλή σεφνολογία (high tech) αναυέπεσαι ςση σεφνολογία αιφμήρ, δηλαδή ςε πποωϋνσα ή ςτςκετέρ σψν οποίψν η λεισοτπγία βαςίζεσαι ςσιρ πιο σεφνολογικά εξελιγμένερ διασάξειρ, τλικά και απφέρ ποτ είναι διαθέςιμα ςε μία ςτγκεκπιμένη φπονική ςσιγμή. Σα τλικά ποτ κασαςκετάζονσαι φπηςιμοποιύνσαρ σην τχηλή σεφνολογία ή/και ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ςε ευαπμογέρ τχηλήρ σεφνολογίαρ αναυέπονσαι ςαν Τλικά Τχηλήρ Σεφνολογίαρ ή Πποηγμένα Τλικά [1,2]. Σα σελετσαία μποπεί να ανήκοτν ςε ϋλερ σιρ κασηγοπίερ σψν τλικύν, ϋπψρ για παπάδειγμα ςσα μέσαλλα, κεπαμικά, πολτμεπή, ςσα ελαςσομεπή, ςσοτρ τάλοτρ και ςσα ςόνθεσα τλικά, και ςτνεπύρ μποπεί να είναι είσε νέα τλικά με νέερ ιδιϋσησερ, είσε να ςσηπίζονσαι ςε παπαδοςιακά τλικά σψν οποίψν οι ιδιϋσησερ έφοτν ενιςφτθεί με ςκοπϋ ση φπήςη σοτρ ςε τχηλήρ απϋδοςηρ ευαπμογέρ. Σα τλικά, γενικϋσεπα, είναι ςσενά ςτνδεδεμένα με σον πολισιςμϋ μαρ και απϋ ανέκαθεν οι εξελίξειρ ς ατσά είφαν μεγάλο κοινψνικϋ και πολισιςμικϋ ανσίκστπο. Εξάλλοτ, η εξέλιξη πολλύν σεφνολογιύν εξαπσάσαι απϋ σην εξέλιξη σψν τλικύν και ση ππϋςβαςη ς ατσά. Ιςσοπικά, η ανάπστξη και η ππϋοδορ σψν κοινψνιύν ςφεσίζεσαι με σην ικανϋσησά σοτρ να παπάγοτν τλικά και να σα φειπίζονσαι για να εξτπηπεσοόν σιρ ανάγκερ σοτρ. Ππάγμασι, δεν είναι στφαίο ποτ οι ππύσοι πολισιςμοί έφοτν φαπακσηπιςσεί απϋ σην ονομαςία σψν τλικύν ποτ ήσαν ςε θέςη να παπάγοτν και να κασεπγάζονσαι ςε μια ςτγκεκπιμένη ιςσοπική πεπίοδο, ϋπψρ για παπάδειγμα είναι οι Εποφή σοτ Λίθοτ και Εποφή σοτ Φαλκοό. Σα τλικά ποτ ανακαλόυθηκαν απϋ σοτρ πποωςσοπικοόρ ακϋμη φπϋνοτρ, ϋπψρ π.φ. ο φαλκϋρ, δεν ςσαμάσηςαν να 2

35 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ εξελίςςονσαι και να βελσιύνονσαι απϋ σον άνθπψπο μέςα ςσοτρ αιύνερ, αλλά και να φπηςιμοποιοόνσαι και ςε νέερ και διαυοπεσικέρ ευαπμογέρ. Σο πλήθορ σψν τλικύν ήσαν ππουανύρ πολό πεπιοπιςμένο, αλλά με ση πάποδο σοτ φπϋνοτ και με σην εξέλιξη σψν σεφνικύν κασεπγαςίαρ η γκάμα σψν τλικύν διετπόνθηκε. ση ςόγφπονη κοινψνία, η οποία εξελίςςεσαι παγδαία, και σηρ οποίαρ οι σεφνολογικέρ ανάγκερ ατξάνονσαι με εκθεσικοόρ πτθμοόρ, η ανάπστξη νέψν πποηγμένψν τλικύν και η εξέλιξη σψν ήδη τπαπφϋνσψν με ςκοπϋ ση φπήςη σοτρ ςε νέερ σεφνολογίερ αποσελεί απϋ σοτρ κτπιϋσεποτρ ςσϋφοτρ σοτ ςόγφπονοτ κϋςμοτ. Εδύ, αξίζει να αναυέποτμε ϋσι λϋγψ σηρ ηθικήρ αλλά και κοινψνικήρ εξέλιξηρ σηρ ανθπύπινηρ κοινψνίαρ, μία νέα ελπιδουϋπα μϋδα είναι η ικανοποίηςη σψν σεφνολογικύν πποκλήςεψν για ανάπστξη πποηγμένψν και εξειδικετμένψν τλικύν μέςψ διαδικαςιύν ποτ είναι υιλικέρ ππορ σο πεπιβάλλον. Σο κευάλαιο ςφεσικά με σιρ ςόγφπονερ ευαπμογέρ σψν πποηγμένψν τλικύν είναι ππαγμασικά σεπάςσιο. ση ςτνέφεια, αναυέποτμε κάποια παπαδείγμασα απϋ σοτρ δόο πιο ςημανσικοόρ σομείρ ϋποτ η ςόγφπονη επιςσήμη και η εξέλιξη σψν τλικύν διαδπαμασίζει και θα διαδπαμασίςει καθοπιςσικϋ πϋλο: Σον σομέα σηρ ενέπγειαρ και ατσϋν σψν σεφνολογικήρ αιφμήρ νανοδιασάξεψν και γενικϋσεπα σηρ νανοσεφνολογίαρ. ε ϋλοτρ σοτρ σεφνολογικοόρ σομείρ η εόπεςη νέψν τλικύν αποσελεί ςημανσική ανάγκη. σο σομέα σηρ παπαγψγήρ, σηρ μεσασποπήρ και σηρ μεσαυοπάρ σηρ ενέπγειαρ με οικονομικοόρ και υιλικοόρ ππορ σο πεπιβάλλον σπϋποτρ, σα πποηγμένα τλικά γίνονσαι ϋλα και πιο απαπαίσησα. σϋφοι, ϋπψρ είναι για παπάδειγμα η αόξηςη σηρ απϋδοςηρ σψν υψσοβολσαωκύν ςτςσημάσψν, έναρ σομέαρ ϋποτ ππορ σο 3

36 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ παπϋν κτπιαπφεί σο τλικϋ πτπίσιο λϋγψ σψν ςημανσικύν ιδιοσήσψν σοτ, ή άλλψν ανανεύςιμψν μοπυύν ενέπγειαρ θα γίνοτν ευικσοί με ση βαθιά κασανϋηςη σψν ιδιοσήσψν σψν τλικύν και σψν μεθϋδψν παπαςκετήρ σοτρ [3,4]. Ακϋμη, είναι γεγονϋρ ϋσι ςημανσικέρ ποςϋσησερ ενέπγειαρ φπηςιμοποιοόνσαι ςσιρ μεσαυοπέρ (ατσοκίνησα, σπένα, αεποπλάνα κλπ.), ενύ ένα μεγάλο μέπορ σηρ μεσαυεπϋμενηρ ενέπγειαρ μεσασπέπεσαι ςε θεπμική, η οποία ςση ςτνέφεια δεν μποπεί να φπηςιμοποιηθεί. Εδύ, για παπάδειγμα, η εξέλιξη νέψν τπεπαγψγύν τχηλήρ θεπμοκπαςίαρ θα βοηθοόςε ςσην εξοικονϋμηςη σεπαςσίψν ποςύν ενέπγειαρ (π.φ. τπεπαγύγιμερ γπαμμέρ μεσαυοπάρ ηλεκσπικήρ ενέπγειαρ) και ςσα μελλονσικά μέςα μεσαυοπάρ με σην σαφόσεπη μεσακίνηςη φψπίρ σιρ απύλειερ και σοτρ πεπιοπιςμοόρ σψν σπιβύν (π.φ. αιψποόμενα σπένα με τπεπαγύγιμοτρ μαγνήσερ). Σέλορ, νέα δομικά και μηφανοτπγικά τλικά φαμηλήρ πτκνϋσησαρ αλλά τχηλήρ απϋδοςηρ και ανσοφήρ ςε τχηλέρ θεπμοκπαςίερ, αναπσόςςονσαι ςτνεφύρ με ςκοπϋ σην κασαςκετή εξαπσημάσψν ποτ θα είναι ςε θέςη να λεισοτπγοόν ςε ανσίξοερ ςτνθήκερ, και σην κασά ςτνέπεια αόξηςη σηρ απϋδοςηρ σψν θεπμικύν μηφανύν και γενικϋσεπα σψν μηφανημάσψν. Η ςόγφπονη εποφή φαπακσηπίζεσαι ςαν η εποφή σηρ επεξεπγαςίαρ και σηρ αποθήκετςηρ πληπουοπιύν. Βάςη σηρ είναι οι μαζικά παπαγϋμενερ ολοκληπψμένερ ημιαγψγικέρ ςτςκετέρ τχηλήρ πτκνϋσησαρ, οι οποίερ είναι ςε θέςη να επεξεπγάζονσαι εκασομμόπια πληπουοπίερ και ενσολέρ ανά δετσεπϋλεπσο. Σα ςτμβασικά ολοκληπψμένα ημιαγψγικά κτκλύμασα βπίςκονσαι πια ακϋμη και ςσιρ πιο απλέρ ςτςκετέρ ποτ τπάπφοτν γόπψ μαρ, ενύ η κλίμακα ολοκλήπψςηρ σοτρ είναι πια σηρ σάξηρ σψν μεπικύν δεκάδψν νανομέσπψν. Ήδη, ϋμψρ έφοτν απφίςει εδύ και απκεσά φπϋνια να φπηςιμοποιοόνσαι ολοκληπψμένερ 4

37 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ οπσοηλεκσπονικέρ διασάξειρ, με ση βοήθεια σψν οποίψν η πληπουοπία μεσαδίδεσαι τπϋ σην τβπιδική μοπυή σψν ηλεκσπονίψν και σοτ υψσϋρ [5]. Σο φαπακσηπιςσικϋ σψν ςτςκετύν ατσύν είναι η σπομακσικά τχηλή σαφόσησα μεσάδοςηρ και επεξεπγαςίαρ σηρ πληπουοπίαρ ςε ςφέςη με σιρ ςτμβασικέρ ημιαγψγικέρ ςτςκετέρ. Σα σελετσαία φπϋνια, μια νέα σεφνολογία, σα spintronics ή ϋπψρ αλλιύρ ονομάζονσαι μαγνησοηλεκσπονικά έφοτν απφίςει να δείφνοτν μεγάλο ενδιαυέπον για ςόγφπονερ σεφνολογικέρ ευαπμογέρ. Ατσά είναι ςόγφπονηρ σεφνολογίαρ (state of the art technology) διασάξειρ οι οποίερ εκμεσαλλεόονσαι σο ενδογενέρ spin σοτ ηλεκσπονίοτ επιπποςθέσψρ με σο ηλεκσπικϋ σοτ υοπσίο [6]. Οι πποαναυεπθείςερ σεφνολογίερ ςσηπίζονσαι ςση σεφνολογική ικανϋσησα για ση δημιοτπγία νανοδομύν και νανοδιασάξεψν, η οποία ϋμψρ με ση ςειπά σηρ έφει ση βάςη σηρ ςσην ανάπστξη σηρ νανοσεφνολογίαρ, σψν νανοϊλικύν και σον έλεγφο σψν υτςικύν σοτρ ιδιοσήσψν, οι οποίερ μποπεί να είναι ενσελύρ διαυοπεσικέρ απϋ ατσέρ ποτ γνψπίζοτμε για σα ςτμπαγή, μεγάλψν διαςσάςεψν τλικά. 1.2 Νανοδομέρ Νανοδιαηάξειρ και Τλικά Νανοηεσνολογία Γενικά Η νανοσεφνολογία αναυέπεσαι ςε οποιαδήποσε σεφνολογία φπηςιμοποιεί νανοςκοπικέρ διασάξειρ ή αλλιύρ νανοδιασάξειρ, δηλαδή διασάξειρ σηρ σάξηρ σοτ νανομέσποτ. Ο ϋπορ νανοσεφνολογία ςσην οτςία οπίςσηκε σο 1959, ϋσαν ο διάςημορ υτςικϋρ Richard Feynman έδψςε μια ςημανσική διάλεξη ςσο Caltech με σίσλο: There s plenty of room at the bottom και κτπίψρ θέμα σιρ σεφνολογικέρ μελλονσικέρ ευαπμογέρ ποτ θα μποποόςαν να έφοτν οι νανοςκοπικέρ διασάξειρ. Τπάπφοτν 5

38 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ πολλοί διαυοπεσικοί κλάδοι ευαπμογήρ σηρ νανοσεφνολογίαρ, οι κόπιερ κασηγοπίερ είναι οι εξήρ: Νανοςψμασίδια (ςψμασίδια σηρ σάξηρ σοτ νανομέσποτ για φημικέρ επιςσπύςειρ με κασαλτσικέρ δπάςειρ π.φ. ςε υψσοβολσαωκά και υαπμακετσικέρ οτςίερ) Νανοϊλικά (τλικά με βελσιψμένη ανσοφή με για παπάδειγμα νανοςψλήνψν άνθπακα) Νανοηλεκσπονική (μικπέρ και φαμηλήρ κασανάλψςηρ διασάξειρ, ϋπψρ σα transistors) Νανο-οπσική (κασαςκετή οπσικύν κτκλψμάσψν ςε νανοκλίμακα) Νανομαγνησική σεφνολογία (π.φ. μαγνησική αποθήκετςη πληπουοπιύν) Νανοπετςσομηφανική (διασάξειρ ποτ βαςίζονσαι ςσιρ ιδιϋσησερ σηρ ποήρ ςε νανομεσπική κλίμακα) Νανοβιοηλεκσπονική (ςτνδταςμϋρ ηλεκσπονικύν διασάξεψν και βιολογικύν δομύν). Οι κόπιερ κασηγοπίερ διασάξεψν σψν 5 σελετσαίψν παπαπάνψ σομέψν βαςίζονσαι ςσιρ κβανσικέρ σελείερ (quantum dots), ςσα κβανσικά υπέασα (quantum wells) και ςσα αγύγιμα κβανσικά νήμασα (quantum wires) [6,7] Μονοζηπυμαηικά/Πολςζηπυμαηικά ςμένια Tα λεπσά τμένια γενικϋσεπα, μονοςσπψμασικά και πολτςσπψμασικά, αποσελοόν ένα απϋ σα βαςικϋσεπα δομικά ςσοιφεία σψν διασάξεψν ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ςση νανομαγνησική σεφνολογία, ςσο σομέα σηρ οπσοηλεκσπονικήρ αλλά και γενικϋσεπα ςση νανοηλεκσπονική. Παπακάσψ θα γίνει αναυοπά ςσιρ σελετσαίερ εξελίξειρ σψν πποαναυεπθένσψν 6

39 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ κλάδψν, ϋποτ οι ευαπμογέρ σψν λεπσύν τμενίψν διαδπαμασίζοτν καθοπιςσικϋ πϋλο. Οι δομέρ εκείνερ ποτ παποτςιάζοτν εξαιπεσικϋ ενδιαυέπον είναι σα λεπσά τμένια διαμοπυψμένηρ δομήρ ή διαμοπυψμένα ψρ ππορ ση ςόςσαςη ή πολτςσπψμασικά τμένια (Compositionally Modulated Multilayers - CMM). Οι δομέρ ατσέρ παπαςκετάζονσαι με ση διαδοφική εναπϋθεςη δόο ή πεπιςςοσέπψν τλικύν πάνψ ςε κασάλληλο τπϋςσπψμα. Εικϋνα 1.1 φημασική αναπαπάςσαςη σηρ δομήρ ενϋρ πολτςσπψμασικοό λεπσοό τμενίοτ. Πάνψ ςσο τπϋςσπψμα εναποσίθενσαι, διαδοφικά, τμένια σοτ τλικοό Α και τμένια σοτ τλικοό Β με σο επιθτμησϋ πάφορ. Σο πάφορ σηρ πεπιϋδοτ είναι Λ και σο ολικϋ πάφορ είναι Ν x Λ. σην Εικϋνα 1.1 υαίνεσαι μια ςφημασική αναπαπάςσαςη ενϋρ πολτςσπψμασικοό τμενίοτ. Πάνψ ςε ένα ςτμπαγέρ τπϋςσπψμα γίνεσαι εναπϋθεςη σοτ τλικοό Α και ςση ςτνέφεια σοτ τλικοό Β. Σο πολτςσπψμασικϋ λεπσϋ τμένιο ςτνήθψρ ςτμβολίζεσαι με Α m-b n ϋποτ Α 7

40 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ και Β είναι σα τλικά και m,n είναι ο απιθμϋρ σψν ασομικύν επιπέδψν σοτ κάθε τλικοό. τφνά, παπϋλα ατσά, σα m και n για διετκϋλτνςη μποπεί να δίνονσαι ςε nm, ειδικά ςση πεπίπσψςη ποτ έφοτμε σην όπαπξη ενϋρ μη επισαξιακοό τμενίοτ. ε ένα ιδανικϋ πολτςσπψμασικϋ τμένιο δεν τπάπφει ενδοδιάφτςη σψν ασϋμψν σοτ ενϋρ ςτςσασικοό ςσο άλλο και επιπλέον οι διεπιυάνειερ δεν έφοτν καθϋλοτ σπαφόσησα. ατσή ση πεπίπσψςη σο πολτςσπψμασικϋ τμένιο μποπεί να φαπακσηπιςσεί ςαν έναρ σέλειορ μονοκπόςσαλλορ ή σεφνησϋρ κπόςσαλλορ (artificial crystals or artificial superlattices), ϋσαν σα m και n είναι πολό μικπά σϋσε η δομή μποπεί να φαπακσηπιςσεί ςαν τπεππλέγμα (superlattice) ή εσεποδομή (heterostructure). ση ππαγμασικϋσησα είναι πολό ςπάνιερ οι πεπιπσύςειρ ϋποτ μποπεί να αναπστφθεί ένα σέσοιο σέλειο πολτςσπψμασικϋ τμένιο. Σο πολτςσπψμασικϋ τμένιο με ςτςσασικά GaAs και AlAs είναι ςση ππάξη πολό κονσά ςσο ιδανικϋ τμένιο. σην Εικϋνα 1.1 σο πάφορ σηρ πεπιϋδοτ διαμϋπυψςηρ σοτ τμενίοτ ςτμβολίζεσαι με Λ. Σο πολτςσπψμασικϋ τμένιο ςφημασίζεσαι με Ν ςσον απιθμϋ επαναλήχειρ σηρ πεπιϋδοτ διαμϋπυψςηρ και με ολικϋ πάφορ Ν x Λ. τνήθψρ (δεν υαίνονσαι ςσην εικϋνα), μεσαξό σοτ τποςσπύμασορ και σοτ ππύσοτ εναποσιθέμενοτ τμενίοτ αναπσόςςεσαι ένα λεπσϋ ςσπύμα (buffer layer) σο οποίο βοηθά ςση κπτςσαλλικϋσησα και ςση κοπτυή σηρ πολτςσπψμασικοό τμενίοτ εναποσίθεσαι ένα ςσπύμα απϋ φημικά ςσαθεπϋ τλικϋ, σο οποίο πποςσασεόει σο τμένιο απϋ σην οξείδψςη ή ση διάβπψςη [8-10]. Η σεφνολογία σψν λεπσύν τμενίψν μποποόμε να ποόμε ϋσι έφει σην αυεσηπία σηρ ςσην εποφή σψν μεσάλλψν. Εξεσάζονσαρ, για παπάδειγμα, σην απφαία σέφνη σηρ ςυτπηλάσηςηρ σοτ φπτςοό, διαπιςσύνοτμε ϋσι φπηςιμοποιοόνσαι για πεπιςςϋσεπο απϋ σέςςεπιρ φιλιεσίερ [11]. Η 8

41 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ ππύση, ϋμψρ, κασαγεγπαμμένη πποςπάθεια ανάπστξηρ σεφνησύν τπεππλεγμάσψν φπονολογείσαι σο 1923 απϋ σον Koeppe, ο οποίορ επεδίψξε σην ανάπστξη πολτςσπψμασικύν τμενίψν Cd/Ag με διαδοφική ηλεκσποεναπϋθεςη ύςσε να κασαςκετάςει, ανεπιστφύρ ϋμψρ, υπάγμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ. Επιστφήρ ήσαν η επϋμενη πποςπάθεια σοτ Deubner σο 1930, ο οποίορ φπηςιμοποίηςε σην ίδια μέθοδο για σην ανάπστξη πολτςσπψμασικύν Au/Ag και Ag/Cu τμενίψν και κασάυεπε να παπασηπήςει πεπίθλαςη ακσίνψν-φ απϋ ατσά. Με σην ίδια μέθοδο οι Dumond και Youtz σο 1935 παπαςκεόαςαν ένα υπάγμα πεπίθλαςηρ πολτςσπψμασικοό Au/Cu τμενίοτ [12]. Σο 1955 παπαςκετάςσηκαν εσεποδομέρ ποτ πεπιείφαν ςιδηπομαγνησικά μέσαλλα απϋ σον Blois, o οποίορ ανέπστξε πολτςσπψμασικά τμένια Ni και Fe, καθύρ επίςηρ και σψν κπαμάσψν σοτρ με SiO και MgF. Σεφνησά τπεππλέγμασα Νi, με απκεσά παφιά ςσπύμασα, παπαςκετάςσηκαν απϋ σοτρ Hirsch, Friedman και Elizer σο Σα τλικά εμυάνιςαν ενδιαυέποτςερ μαγνησικέρ ιδιϋσησερ και σπάβηξαν σο ενδιαυέπον και επϋμενψν επετνησύν [12]. Οι Palatnik και Il inskii (1964) ανέπστξαν ςτςσήμασα μικποελαςμάσψν Cu/Cr φπηςιμοποιύνσαρ μέθοδο εναπϋθεςηρ κενοό, με 0.5 μm πεπίοδο και ςκοπϋ σην κασαςκετή τλικύν με μεγάλη μηφανική ανσοφή [12]. Οι Frerichs με Dinklege και Cook με Hilliard επγάζονσαν απϋ σιρ απφέρ σιρ δεκαεσίαρ σοτ 1960 πάνψ ςσα σεφνησά τπεππλέγμασα. Οι ππύσοι παπαςκεόαςαν ςτςσήμασα Au/Mg, Fe/Mg, PbPC/CuPC και είφαν ψρ κίνησπο ση κασαςκετή υπαγμάσψν πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ. Ο Hilliard είφε ψρ κίνησπο ση μελέση σοτ υαινομένοτ σηρ spinodal decomposition ςε μεσαςσαθή κπάμασα παπαςκεταςμένα με ςτνεναπϋθεςη ςτςσασικύν. 9

42 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ Οι Hilliard και Cook φπηςιμοποίηςαν σα πολτςσπψμασικά τμένια ςαν μέςο ελέγφοτ σηρ γενικετμένηρ εξίςψςηρ σηρ διάφτςηρ ποτ είφε διαστπψθεί απϋ σον Cahn (1961, 1962) και ήσαν θεμέλιορ λίθορ σηρ θεψπίαρ σοτ για ση spinodal decomposition. Οι μελέσερ σψν Cook και Hilliard ξεκίνηςαν απϋ σο 1966 ςσο ςόςσημα Au/Ag και ςτνεφίςσηκαν μέφπι και ση δεκαεσία σοτ 1980 [12]. H έπετνα πάνψ ςσιρ μαγνησικέρ ιδιϋσησερ σοτ ςτςσήμασορ Cu/Ni άπφιςε απϋ σοτρ Horiuchi, Hilliard και Ketterson σο Σο 1978 μια μελέση πάνψ ςε Cu/Ni σεφνησά τπεππλέγμασα απϋ σοτρ Thaler, Ketterson και Hilliard αποκάλτχε πολό ενδιαυέποτςερ μαγνησικέρ ιδιϋσησερ και ήσαν η απφή για επιπλέον μελέσερ πάνψ ςε μαγνησικά ςτςσήμασα. Παπάλληλα ϋμψρ, ήδη απϋ σο 1969, είφε απφίςει η έπετνα απϋ σοτρ Esaki και Tsu ςσην IBM πάνψ ςε ημιαγψγικά τπεππλέγμασα, ξεφψπιςσϋ σομέα ςσον οποίο θα αναυεπθοόμε παπακάσψ [12]. Η μελέση σψν ιδιοσήσψν τπεπαγύγιμψν σεφνησύν τπεππλεγμάσψν ξεκίνηςε σο 1968 απϋ σοτρ Strongin et al. πάνψ ςσα ςτςσήμασα AI/Cu και A1/Sn, για σα οποία ανέυεπαν μια ενίςφτςη ςση θεπμοκπαςία μεσάβαςηρ για ςτςσήμασα με πάφορ πεπιϋδοτ πεπίποτ 60 Å. Η έπετνα ςτνεφίςσηκε μεσαξό σψν εσύν 1972 και 1974, πάνψ ςσα ςτςσήμασα Pb/Bi, απϋ σοτρ Raffy et at., ενύ Nb/Cu σεφνησά τπεππλέγμασα παπαςκετάςσηκαν απϋ σοτρ Barbee και Keith σο 1976 με ση φπήςη σηρ σεφνικήρ μάγνησπον ιονσοβολήρ. Πολό ενδιαυέπονσα ςτςσήμασα ποτ αναπσόφθηκαν ςση ςτνέφεια τπήπξαν ατσά σψν Nb/Ge (Ruggiero et al. (1980)) και Nb/Cu (Schuller (1980), Banerjee (1982) and Banerjee et al. (1982)) [12]. 10

43 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ Δθαπμογέρ ςμενίυν ζε νανοδιαηάξειρ Η ποικιλία σψν ευαπμογύν σψν πολτςσπψμασικύν τμενίψν, ϋπψρ πποαναυέπθηκε, είναι σεπάςσια. Η ανάπστξη πολτςσπψμασικύν τμενίψν έφει πποςελκόςει σιρ σελετσαίερ δεκαεσίερ σεπάςσιο επιςσημονικϋ ενδιαυέπον λϋγψ σψν πολό ενδιαυεποτςύν ιδιοσήσψν σοτρ Μαγνηηικά πολςζηπυμαηικά ςμένια Σα μαγνησικά πολτςσπψμασικά τμένια βπίςκοτν ςήμεπα ευαπμογέρ ςε δόο κτπίψρ σομείρ: (α) σα μαγνησικά μέςα αποθήκετςηρ πληπουοπίαρ τχηλήρ πτκνϋσησαρ (high-density magnetic recording media), (β) ση γενικϋσεπη κασηγοπία σψν ςπινσπονικύν (spintronics). (α) Η ιδέα σηρ εγγπαυήρ πληπουοπίαρ ςε μαγνησικά μέςα, με ση μοπυή ήφοτ ϋμψρ, μποποόμε να ποόμε ϋσι φπονολογείσαι πίςψ ςσο 1888, ϋσαν o Oberlin Smith ειςήγαγε για ππύση υοπά σην ιδέα ατσή ςσο βπεσανικϋ πεπιοδικϋ Electric World [13]. Η ππύση μαγνησική ςτςκετή αποθήκετςηρ πληπουοπίαρ κασαςκετάςσηκε απϋ σον Valdemar Poulsen σο 1898, η οποία έκανε κασαγπαυή / αναπαπαγψγή ήφοτ ςε ένα μαγνησικϋ ςόπμα απϋ ασςάλι [14]. Μεσά απϋ πεπίποτ μιςϋ αιύνα, σο 1956 ο Rey Johnson ςσην IBM κασαςκεόαςε σον ππύσο ςκληπϋ δίςκο (Hard Disk Drive - HDD), ο οποίορ ονομάςσηκε RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) με πτκνϋσησα εγγπαυήρ 2 kbits/in 2 [15]. Απϋ σϋσε μέφπι ση ςόγφπονη εποφή, η επιυανειακή πτκνϋσησα εγγπαυήρ πληπουοπίαρ ατξήθηκε πεπίποτ 6 σάξειρ μεγέθοτρ με ση μεσάβαςη απϋ σο οξείδιο σοτ ςιδήποτ ςσα μέςα λεπσοό τμενίοτ Co. Ππαγμασικά, μεγάλη ύθηςη ςσα τχηλήρ πτκνϋσησαρ μαγνησικά μέςα έδψςε η φπήςη αιςθησήπψν μαγνησοανσίςσαςηρ και η μεσάβαςη ςσον αιςθησήπα γιγάνσιαρ μαγνησοανσίςσαςηρ (GMR) ςσιρ απφέρ σοτ Όλερ οι εμποπικά διαθέςιμερ ευαπμογέρ μέφπι και σο 2005 ςσηπιζϋσαν ςσην 11

44 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ παπάλληλη μαγνησική εγγπαυή, ενύ ςση ςτνέφεια η φπήςη μέςψν ποτ εκμεσαλλεόονσαν ση κάθεση μαγνησική εγγπαυή και η βελσίψςη σψν κευαλύν ανάγνψςηρ επισπέποτν σον σπιπλαςιαςμϋ ςφεδϋν σηρ επιυανειακήρ πτκνϋσησαρ πληπουοπίαρ. ση ςημεπινή εποφή γίνεσαι έπετνα για μαγνησική κασαγπαυή πληπουοπίαρ ςε πεπιοδικά διασεσαγμένερ νανοδομέρ. Σο ππύσο ςημανσικϋ ππϋβλημα ποτ έππεπε να επιλτθεί για να μποπέςοτμε να έφοτμε κασαγπαυή τχηλήρ πτκνϋσησαρ ήσαν η φπήςη κασάλληληρ κευαλήρ ανάγνψςηρ. Με σην ειςαγψγή σηρ GMR κευαλήρ ςσιρ απφέρ σηρ δεκαεσίαρ σοτ `90 σο ππϋβλημα ατσϋ επιλόθηκε. Η αμέςψρ μεγαλόσεπη ππϋκληςη ςσην τχηλήρ πτκνϋσησαρ κασαγπαυή είναι η μείψςη σοτ μεγέθοτρ σηρ μαγνησικήρ πεπιοφήρ και η σατσϋφπονη θεπμική ςσαθεπϋσησά σηρ. Καθύρ μειύνονσαι οι διαςσάςειρ σηρ μαγνησικήρ πεπιοφήρ οι θεπμικέρ διακτμάνςειρ κονσά ςσο τπεππαπαμαγνησικϋ ϋπιο (superparamagnetic limit) σείνοτν να αποπποςανασολίςοτν σην μαγνήσιςη. Αν η θεπμική ενέπγεια είναι απκεσά τχηλή τπάπφει κίνδτνορ σηρ αναςσπουήρ σηρ μαγνήσιςηρ με αποσέλεςμα να φάνεσαι η πληπουοπία ποτ είφε αποθηκετθεί. Η ενέπγεια ποτ απαισείσαι για να αναςσπαυεί η μαγνήσιςη ςε μία μαγνησική πεπιοφή είναι ανάλογη σοτ μεγέθοτρ σηρ πεπιοφήρ ατσήρ και σοτ πεδίοτ απομαγνήσιςηρ [15]. ση διάσαξη με σην κάθεση εγγπαυή πληπουοπίαρ μποπεί να φπηςιμοποιηθεί κάσψ απϋ σο ςσπύμα εγγπαυήρ ένα άλλο παφό και μαλακϋ μαγνησικά τλικϋ σο οποίο φπηςιμεόει για να κλείνει σο μαγνησικϋ κόκλψμα σηρ κευαλήρ εγγπαυήρ. Έσςι, ςση σεφνολογία ατσή μποποόν να φπηςιμοποιηθοόν τλικά με απκεσά τχηλϋσεπο απομαγνησίζον πεδίο και ςτνεπύρ οι μαγνησικέρ πεπιοφέρ να είναι πολό πιο θεπμικά ςσαθεπέρ ςε μικπέρ διαςσάςειρ. Σο γεγονϋρ ατσϋ επισπέπει 12

45 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ σην αόξηςη σηρ πτκνϋσησαρ πληπουοπίαρ ςε σιμέρ ποτ ςσιρ ημέπερ μαρ υσάνοτν πεπίποτ σα 900 Gb/in 2, ενύ με σην φπήςη σηρ παπάλληληρ σεφνολογίαρ εγγπαυήρ οι σιμέρ ατσέρ δεν θα μποποόςαν να ξεπεπάςοτν σα 200 με 300 Gbit/in 2. Ατσή ση ςσιγμή ϋλερ οι εσαιπείερ ποτ κασαςκετάζοτν ςκληποόρ δίςκοτρ φπηςιμοποιοόν σην απφή σηρ κάθεσηρ εγγπαυήρ και ατσή σηρ παπάλληληρ έφει ενσελύρ παπαγκψνιςσεί. Οι Iwasaki et al. είφαν ειςάγει για ππύση υοπά ςσα μέςα σηρ δεκαεσίαρ σοτ `70 σιρ απφέρ για σην κάθεση εγγπαυή και σψν πλεονεκσημάσψν σοτρ [16,17]. Παπϋλα ατσά σα μέςα κάθεσηρ μαγνησικήρ εγγπαυήρ τπουέποτν απϋ σην απφή σοτ superparamagnetic οπίοτ και η πτκνϋσησα εγγπαυήρ πεπιοπίζεσαι πεπίποτ ςσο 1 Tbit/in 2. Μια πολό νέα σεφνολογία ποτ πποβλέπεσαι να κασοπθύςει σην επίσετξη σπομεπά τχηλύν πτκνοσήσψν είναι ατσή σψν patterned μέςψν [18, 19]. Σα καλύρ οπγανψμένα μαγνησικά νανοςψμασίδια μονοό κϋκκοτ δημιοτπγοόνσαι με ση βοήθεια σεφνικύν υτςικήρ εναπϋθεςηρ (π.φ. σεφνική ιονσοβολήρ) μαγνησικοό τλικοό μέςα ςε κενά μη μαγνησικοό τλικοό. Σα κενά ατσά δημιοτπγοόνσαι με σεφνικέρ ϋπψρ είναι η λιθογπαυία ή η επιλεκσική απϋξεςη μιαρ υάςηρ ενϋρ ςτμπολτμεπικοό τμενίοτ [20]. σην Εικϋνα 1.2 (α) δίνεσαι με ςφημασικϋ σπϋπο η πεπιγπαυή ϋλψν ατσύν ποτ αναυέπθηκαν παπαπάνψ. σην Εικϋνα 1.2 (β) δίνεσαι ένα φπονολογικϋ διάγπαμμα σψν τλικύν ποτ φπηςιμοποιήθηκαν ςσα μέςα εγγπαυήρ και ςσιρ κευαλέρ ανάγνψςηρ ατσύν. Απϋ σο διάγπαμμα υαίνεσαι η μεσάβαςη απϋ σο permalloy (Ni 80Fe 20 και Ni 45Fe 55) ποτ φπηςιμοποιοόνσαν ςσιρ κευαλέρ επαγψγήρ ςσα κπάμασα CoNiFe και CoFe για σιρ ςόγφπονερ κευαλέρ GMR και ΣΜR. σα μέςα αποθήκετςηρ έφοτμε μεσάβαςη απϋ σο κπάμα CoCr ςσα κπάμασα FePt, CoPt και ςσα πολτςσπψμασικά τμένια Co/Pd και Co/Pt, ϋποτ σο ζησοόμενο είναι η 13

46 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ ιςφτπή κάθεση μαγνησική ανιςοσποπία για σην κάθεση εγγπαυή πληπουοπίαρ [21]. Για σα patterned και σα ατσοοπγανψμένα μέςα έπετνα γίνεσαι ςήμεπα πάνψ ςε νανοςψμασίδια FePt, MnFe 2O 4, CoPt και FePt/Fe 3O 4/MgO [22-26]. Εικϋνα 1.2 (α) φημασικϋ διάγπαμμα σψν σεφνολογιύν μαγνησικήρ εγγπαυήρ και σψν ανσιςσοίφψν πτκνοσήσψν εγγπαυήρ ςε bit/in 2. (β) Φπονολογικϋ διάγπαμμα σηρ σεφνολογίαρ σψν κευαλύν ανάγνψςηρ και σψν τλικύν ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ς ατσέρ, ϋπψρ επίςηρ και ςσο τλικϋ εγγπαυήρ [21]. 14

47 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ (β) Σα spintronics βπίςκοτν ευαπμογέρ ήδη ςήμεπα ςση κασαςκετή πολό εταίςθησψν και μικπύν ςε διαςσάςειρ αιςθησήπψν ανάγνψςηρ Γιγανσιαίαρ Μαγνησοανσίςσαςηρ (Giant Magnetoresistance-GMR Sensors) και ςσο άμεςο μέλλον ςε μαγνησικέρ μνήμερ στφαίαρ πποςπέλαςηρ (Magnetic Random Access Memories - MRAMs), ενύ η ευαπμογή σοτρ ςση κασαςκετή spin-leds ποτ θα εκπέμποτν πολψμένο υψρ ςε θεπμοκπαςία πεπιβάλλονσορ πποβλέπεσαι να είναι κι ατσή ευικσή. Η ππύση ευαπμογή αποσελεί έναν απϋ σοτρ ακπογψνιαίοτρ λίθοτρ ςσην έπετνα αλλά και ςσιρ ευαπμογέρ ποτ αυοποόν σην εγγπαυή πληπουοπίαρ τχηλήρ πτκνϋσησαρ, καθύρ με σοτρ μικποςκοπικοόρ GMR αιςθησήπερ μαρ παπέφεσαι η δτνασϋσησα σηρ ανάγνψςηρ πληπουοπίαρ απϋ μαγνησικά bits σηρ σάξηρ σοτ νανομέσποτ. Η ευαπμογή σψν MRAMs έφει ήδη ππαγμασοποιηθεί και έφοτν κασαςκεταςσεί ολοκληπψμένα κτκλύμασα ατσοό σοτ είδοτρ μνήμηρ, αλλά σο γεγονϋρ ϋσι η πτκνϋσησα αποθήκετςηρ πληπουοπίαρ σψν ςτμβασικύν ημιαγψγικύν μνημύν εξελιςςϋσαν σαφόσησα, σιρ έφει κπασήςει ςσο εμποπικϋ πεπιθύπιο. Παπϋλα ατσά, σα πλεονεκσήμασα σψν MRAMs δείφνοτν ϋσι σελικά, πολό ςόνσομα θα επικπασήςοτν ατσέρ σψν απλύν ημιαγψγικύν. Σα βαςικϋσεπα πλεονεκσήμασά σοτρ είναι η μη πσησικϋσησά σηρ, η ατξημένη σαφόσησα εγγπαυήρ ανάγνψςηρ, η φαμηλή κασανάλψςη ενέπγειαρ και η μεγάλη κλίμακα ολοκλήπψςηρ η θα ςτγκπίνεσαι πια με ατσή σψν παπαδοςιακύν ημιαγψγικύν μνημύν. Η ανακάλτχη σοτ υαινομένοτ σηρ γιγάνσιαρ μαγνησοανσίςσαςηρ (GMR) σο 1988 απϋ σοτρ Α. Fert και P. Grünberg [27,28] θεψπείσαι η απφή για σα spintronics, οι οποίερ είναι διασάξειρ ποτ βαςίζονσαι ςση μεσαυοπά πληπουοπίαρ ϋφι μϋνο μέςψ σοτ υοπσίοτ αλλά και μέςψ σοτ spin σοτ ηλεκσπονίοτ. To υαινϋμενο σηρ γιγάνσιαρ μαγνησοανσίςσαςηρ 15

48 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ παπασηπείσαι ςε σεφνησέρ δομέρ λεπσύν τμενίψν απϋ εναλλάξ μαγνησικά και μη-μαγνησικά (αλλά αγύγιμα) ςσπύμασα. Η ηλεκσπική ανσίςσαςη σηρ δομήρ ατσήρ είναι τχηλή ϋσαν οι μαγνησίςειρ σψν ςιδηπομαγνησικύν ςσπψμάσψν είναι ανσιπαπάλληλερ και φαμηλή ϋσαν ατσέρ είναι παπάλληλερ. Οι GMR δομέρ ςτφνά κασηγοπιοποιοόνσαι με βάςη σο αν σο πεόμα πέει παπάλληλα ππορ σιρ διεπιυάνειερ (CIP, current in plane) μεσαξό σψν διαυοπεσικύν τλικύν ή κάθεσα ππορ ατσέρ (CPP, current perpendicular to the plane). Οι πεπιςςϋσεπερ απϋ σιρ GMR κάνοτν φπήςη σηρ CIP γεψμεσπίαρ, ενύ η CPP ήσαν ατσή ποτ ππψσοειςήφθει απϋ σοτρ Pratt et al., [29] και η θεψπησική επμηνεία σηρ είναι πιο εόκολη και ςφεσίζεσαι με σο Tunneling Magnetoresistance (TMR) υαινϋμενο [30]. Ανσίθεσα με ατσϋ ποτ ςτμβαίνει ςσα μη-μαγνησικά τλικά, η εγγενήρ αςτμμεσπία σψν καναλιύν ιδιοςσπουοπμήρ ςσα μαγνησικά τλικά είναι ατσή ποτ σα καθιςσά κασάλληλερ πηγέρ πετμάσψν πολψμένηρ ιδιοςσπουοπμήρ. Με σην πποϊπϋθεςη λοιπϋν ϋσι σο αγύγιμο (π.φ. απϋ Cu) διαφψπιςσικϋ ςσπύμα είναι πολό λεπσϋσεπο απϋ σο μήκορ διάφτςηρ ιδιοςσπουοπμήρ, ϋσαν οι μαγνησίςειρ σψν ςιδηπομαγνησικύν τλικύν είναι παπάλληλερ, η πτκνϋσησα κασαςσάςεψν για σα ηλεκσπϋνια ανσίςσοιφηρ ιδιοςσπουοπμήρ είναι ςφεσικά τχηλή και η ςκέδαςη υοπέψν διασηπείσαι ςε φαμηλά επίπεδα. Έσςι η ηλεκσπική ανσίςσαςη σηρ δομήρ είναι μικπή. Ανσιθέσψρ, ϋσαν οι μαγνησίςειρ σψν ςιδηπομαγνησικύν τλικύν είναι ανσιπαπάλληλερ, οι υοπείρ πλειονϋσησαρ ανσιμεσψπίζοτν μια φαμηλή πτκνϋσησα κασαςσάςεψν ςσο δεόσεπο ςιδηπομαγνησικϋ ςύμα και η ςκέδαςη ανάςσπουηρ ιδιοςσπουοπμήρ είναι μεγάλη. Σο σελετσαίο έφει ψρ αποσέλεςμα η δομή να εμυανίζει τχηλή ηλεκσπική ανσίςσαςη. Η ανσίςσαςη ατσή ςση ποή σψν υοπέψν ονομάζεσαι μαγνησοανσίςσαςη και ο λϋγορ σηρ μέγιςσηρ ππορ σην ελάφιςση ανσίςσαςη ονομάζεσαι λϋγορ 16

49 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ GMR. Έφοτν κασαςκεταςσεί διασάξειρ με πολό τχηλϋ λϋγο GMR, απκεσά μεγαλόσεπο σηρ μονάδαρ, και απϋ ατσϋ αποππέει και ο ϋπορ Γιγάνσια. Εικϋνα 1.3 φημασική αναπαπάςσαςη σηρ δομήρ μιαρ ςτμβασικήρ spin-valve GMR. σην Εικϋνα 1.3 δίνεσαι η ςφημασική αναπαπάςσαςη μιαρ σεφνολογικά ςποτδαίαρ διάσαξηρ, η οποία ονομάζεσαι βαλβίδα ιδιοςσπουοπμήρ (ςση διεθνή βιβλιογπαυία με σην ονομαςία spin valve) και σηρ οποίαρ η λεισοτπγία βαςίζεσαι ςσο GMR υαινϋμενο. Ατσή ποτ δείφνεσαι είναι ςσην οτςία μια GMR δομή με CIP γεψμεσπία και αποσελείσαι απϋ ένα ανσιςιδηπομαγνησικϋ ςσπύμα, σο οποίο πακσύνει ση διεόθτνςη σψν μαγνησικύν ποπύν σοτ ππύσοτ ςιδηπομαγνησικοό ςσπύμασορ ππορ μία ςσαθεπή διεόθτνςη. Η μαγνήσιςη σοτ μαγνησικά ελεόθεποτ ςσπύμασορ μποπεί να ςσπέυεσαι ελεόθεπα ςε οποιαδήποσε κασεόθτνςη και μποπεί ατσή να εξαπσάσαι απϋ ένα εξψσεπικϋ πεδίο. Ατσϋ σο εξψσεπικϋ πεδίο, για παπάδειγμα, μποπεί να ανσιςσοιφεί ςε ένα αποθηκετμένο bit ενϋρ ςκληποό δίςκοτ. Όπψρ πποαναυέπθηκε, ϋσαν οι μαγνησίςειρ σψν δόο ςιδηπομαγνησικύν ςσπψμάσψν έφοτν σην ίδια κασεόθτνςη/ανσίθεση κασεόθτνςη, σϋσε η δομή παποτςιάζει ελάφιςση/μέγιςση ανσίςσαςη. 17

50 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ Όσαν σο αγύγιμο λεπσϋ τμένιο μιαρ GMR δομήρ ανσικασαςσαθεί απϋ ένα μονψσικϋ τμένιο, ικανά λεπσϋ για σην εμυάνιςη σοτ υαινομένοτ διάβαςηρ ςήπαγγαρ, σϋσε έφοτμε ση δημιοτπγία μιαρ διάσαξηρ μαγνησικήρ επαυήρ ςήπαγγαρ (Magnetic Tunnel Junction - MTJ) σηρ οποίαρ η ανσίςσαςη ονομάζεσαι μαγνησοανσίςσαςη ςήπαγγαρ (Tunneling Magnetoresistance - TMR) [31]. Η ανακάλτχη MTJ ςτςσημάσψν ςσα μέςα σηρ δεκαεσίαρ σοτ `90, με μεγάλερ TMR σιμέρ ςε θεπμοκπαςία πεπιβάλλονσορ, ανανέψςαν ξανά σο ενδιαυέπον για σην σεφνολογία σψν MRAMs. Σα ςτςσήμασα ατσά φπηςιμοποιοόςαν άμοπυα μονψσικά διαφψπιςσικά βαςιςμένα ςε τμένια αλοόμιναρ. Σα τμένια CoFe/Al 2O 3/Co ή CoFe/Al 2O 3/NiFe, για παπάδειγμα, εμυάνιζαν σιμέρ TMR 20 και 50% [32, 33]. Απγϋσεπα, η έπετνα επικενσπύθηκε ςε επαυέρ με διαφψπιςσικά τμένια MgO σα οποία εμυάνιζαν TMR ανσίςσαςη μέφπι και 200%, λϋγψ σηρ κπτςσαλλικϋσησαρ σοτ τμενίοτ MgO [34,37]. σην Εικϋνα 1.4 υαίνεσαι η δομή μιαρ ςτμβασικήρ MRAM ππύσηρ γενιάρ (Stoner-Wolfarth MRAM ή SW-MRAM). Η εγγπαυή ατσοό σοτ είδοτρ μνήμηρ ήσαν ηλεκσπομαγνησική: Δόο οπθογύνιοι μαγνησικοί παλμοί ςτνδτάζονσαι παπέφονσαρ πεόμα ςε μία απϋ σιρ Bit lines και ςε μία απϋ σιρ Digit lines σατσϋφπονα, ενύ σο ανσίςσοιφο σπανζίςσοπ είναι ανοιφσϋ. Μ ατσϋ σον σπϋπο γίνεσαι η επιλογή σηρ εγγπαυήρ. Κασά σην επιλεκσική ανάγνψςη ενϋρ bit μνήμηρ σύπα, η διαδικαςία είναι η εξήρ: Δίνεσαι σάςη, μέςψ κασάλληλοτ κτκλύμασορ, ςε μία απϋ σιρ Bit lines και σίθεσαι και σο ανσίςσοιφο C-MOS σπανζίςσοπ ςε αγψγή. Αν η MTJ έφει παπάλληλερ μαγνησίςειρ, σϋσε ανιφνεόεσαι πεόμα και διαβάζεσαι η κασάςσαςη 1, ενύ ανσιθέσψρ δεν έφοτμε ποή πεόμασορ και σο κελί μνήμηρ είναι ςση κασάςσαςη 0. 18

51 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ Εικϋνα 1.4 φημασική αναπαπάςσαςη μιαρ ςτμβασικήρ μνήμηρ MRAM, ϋποτ υαίνονσαι για διετκπινιςσικοόρ λϋγοτρ 4 κελιά μνήμηρ (4-bits) [38]. Η σοπολογία ατσήρ σηρ μνήμηρ τπουέπει απϋ σο λεγϋμενο half select instability υαινϋμενο, ςόμυψνα με σο οποίο οι MTJs είναι μαγνησικά αςσαθείρ και μποπεί να αλλάξοτν κασάςσαςη απϋ ένα μϋνο ευαπμοζϋμενο πεδίο. Η λόςη ςσο ππϋβλημα δϋθηκε απϋ ση Motorola σο 2003 με σιρ Toggle-MRAMs, η οποία ανσικασέςσηςε σα υεπομαγνησικά τμένια σψν MTJs με υεππιμαγνησικά, σα οποία διαφψπίζονσαι απϋ ένα πολό λεπσϋ τμένιο Ru με πποςεκσικά επιλεγμένο πάφορ. Παπϋλο ποτ κασαςκετάςσηκαν επιστφύρ ολοκληπψμένα κτκλύμασα μνήμηρ ποτ λεισοτπγοόν μ ατσή σην απφή, και μάλιςσα με εξέφοτςερ ηλεκσπικέρ ιδιϋσησερ, γπήγοπα έγινε κασανοησϋ ϋσι και ατσή η σοπολογία είναι ακασάλληλη για σην κασαςκετή μνημύν τχηλήρ κλίμακαρ ολοκλήπψςηρ. [39,40]. ήμεπα, η έπετνα επικενσπύνεσαι ςσιρ Thermally-Assisted MRAMs (TA-MRAMs). ατσέρ έφει αυαιπεθεί η μία γπαμμή ευαπμογήρ μαγνησικοό πεδίοτ και κασά σην εγγπαυή πεόμα πέει μέςα απϋ σην MTJ σατσοφπϋνψρ με ένα μαγνησικϋ πεδίο. σιρ μνήμερ ατσέρ, μεγάληρ ςημανσικϋσησαρ μέγεθορ είναι η θεπμοκπαςία αλλαγήρ κασεόθτνςηρ σηρ ανιςοσποπίαρ Σ K αλλά και ο λϋγορ TMR επίςηρ. Σα τμένια ποτ είναι ππορ 19

52 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ έπετνα για σέσοιοτ είδοτρ ευαπμογέρ είναι για παπάδειγμα σα πολτςσπψμασικά ςτςσήμασα Co/Pd, Co/Pt και ςσοιβάδερ Σa/CoFeB/MgO, Ta/CoFeB/MgO και CoFeB/(Pd/Co)xn [41,43]. H βαςική πποςπάθεια επικενσπύνεσαι ςση ςμίκπτνςη σψν κάθεσψν διαςσάςεψν σψν MTJs κάσψ απϋ σα 45 nm, με ςκοπϋ σην ανσικασάςσαςη ςσο άμεςο μέλλον, σψν κλαςςικύν DRAMs απϋ σηρ νέαρ γενιάρ MRAMs Ημιαγυγικά μονοζηπυμαηικά/πολςζηπυμαηικά ςμένια Σα ημιαγψγικά τμένια βπίςκοτν ςήμεπα σεπάςσιερ ευαπμογέρ ςση ςόγφπονη σεφνολογία σηρ οπσοηλεκσπονικήρ. Ο σομέαρ ατσϋρ είναι ςση ππαγμασικϋσησα σεπάςσιορ και πεπιλαμβάνει ευαπμογέρ ϋπψρ είναι οι οπσικέρ επικοινψνίερ (καλψδιακή TV, επικοινψνίερ μακπάρ μεσαυοπάρ κλπ.), ο απομακπτςμένορ και σπομεπά σαφόρ έλεγφορ ηλεκσπονικοό και ηλεκσπομηφανολογικοό εξοπλιςμοό, οι ατσομασιςμοί επγοςσαςίοτ και σα καθοδηγοόμενα απϋ laser αμτνσικά ςτςσήμασα, ϋποτ φπηςιμοποιοόνσαι οπσοηλεκσπονικέρ ςτςκετέρ ϋπψρ είναι οι δίοδοι laser, οι απλέρ LED (Light Emitting Diodes), οι υψπασέρ και οι διαμοπυψσέρ [5]. Έναρ άλλορ πολό μεγάλορ σομέαρ σηρ οπσοηλεκσπονικήρ ο οποίορ σιρ σελετσαίερ δεκαεσίερ ανθίζει είναι ατσϋρ σψν υψσοβολσαωκύν. Υψσοβολσαωκά ςσοιφεία νέαρ γενιάρ, η λεισοτπγία σψν οποίψν ςσηπίζεσαι ςε κβανσικά υαινϋμενα αποππϋυηςηρ και εκπομπήρ υψσϋρ ςε νανοδομημένοτρ ημιαγψγοόρ (κβανσικά υπέασα και ενςψμασψμένερ κβανσικέρ κηλίδερ μέςα ςε διηλεκσπικϋ) τπϋςφονσαι αόξηςη σηρ υψσοβολσαωκήρ απϋδοςηρ και μείψςη σοτ κϋςσοτρ [44]. Οι ηλεκσπονικέρ και οπσικέρ ιδιϋσησερ ενϋρ ημιαγψγικοό τλικοό εξαπσύνσαι πλήπψρ απϋ σην ηλεκσπονιακή δομή σοτ, ςτνεπύρ η σεφνησή διαμϋπυψςη σηρ δομήρ ενϋρ τλικοό με ση δημιοτπγία 20

53 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ τπεππλεγμάσψν (superlattices) και σεφνησύν δομύν αποσελεί ππϋκληςη για σοτρ επετνησέρ. Η ππψσοπϋπα δοτλειά σψν Esaki και Tsu ςσην IBM ςσα μέςα σηρ δεκαεσίαρ σοτ `70 αποσελεί σην απφή για σην ανάπστξη και εξέλιξη ατσήρ σηρ ιδέαρ. Η ππϋοδορ ςσην εσεποεπισαξία αποσελεί σο κλειδί ςσην ανάπστξη κπτςσαλλικύν τπεπδομύν και ςσην ελεγξιμϋσησα σηρ κπτςσαλλικήρ δομήρ. Οι σεφνικέρ επίσαξηρ είναι πολό ετέλικσερ και επισπέποτν σην ανάπστξη μεγάληρ ποικιλίαρ κβανσικύν υπεάσψν. σην Εικϋνα 1.5 υαίνεσαι ένα ςφημασικϋ παπάδειγμα ενϋρ (α) μονοό κβανσικοό υπέασορ (Single Quantum Well - SQW) και (β) ενϋρ πολλαπλοό κβανσικοό υπέασορ (Multiple Quantum Well - MQW) ή τπεππλέγμασορ (Superlattice). Η διαυοπά μεσαξό ενϋρ MQW κι ενϋρ τπεππλέγμασορ είναι η σιμή σοτ πάφοτρ b, ϋπψρ υαίνεσαι ςσο ςφήμα. Σο πολλαπλϋ κβανσικϋ υπέαπ έφει σεπάςσιο b κι έσςι σα επιμέποτρ κβανσικά υπέασα δεν επικοινψνοόν μεσαξό σοτρ. Οι ιδιϋσησερ σοτ MQW είναι γι ατσϋ σο λϋγο ίδιερ με ατσέρ ενϋρ SQW. Σα MQW φπηςιμοποιοόνσαι ςσιρ ευαπμογέρ για να πποςυέποτν μεγαλόσεπη οπσική πτκνϋσησα απ ϋσι σα SQW. Σα τπεππλέγμασα, ανσιθέσψρ, έφοτν πολό λεπσϋσεπα διαφψπιςσικά υπάγμασα με αποσέλεςμα να επικοινψνοόν σα επιμέποτρ κβανσικά υπέασα μεσαξό σοτρ μέςψ σοτ υαινομένοτ ςήπαγγαρ. Γι ατσϋ σο λϋγο ςφημασίζονσαι νέερ κασαςσάςειρ κασά σον άξονα z [45]. Σα κβανσικά υπέασα με ση μοπυή ποτ υαίνεσαι ςσην Εικϋνα 1.5 Μποποόν να δημιοτπγηθοόν μϋνο με ση φπήςη τλικύν ποτ μποποόν να ςφημασίςοτν σεφνησά κπόςσαλλα. Οι μοναδιαίερ κτχελίδερ σψν GaAs και AlAs και ςτνεπύρ και σοτ κπάμασορ Al xga 1-xAs είναι ςφεδϋν πανομοιϋστπερ και επισπέποτν έσςι σο ςφημασιςμϋ σεφνησύν κπτςσάλλψν ποτ δεν πεπιέφοτν εξαπμϋςειρ. Ππϋςυασα, έγινε ανσιληπσϋ ϋσι είναι δτνασή η δημιοτπγία κβανσικύν υπεάσψν με τλικά ποτ έφοτν 21

54 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ διαυοπεσικέρ πλεγμασικέρ ςσαθεπέρ, οι οποίερ ειςάγοτν σάςειρ μέςα ςση κπτςσαλλική δομή, και παπϋλα ατσά να έφοτν τχηλήρ ποιϋσησαρ κπτςσαλλικϋσησα απκεί σο πάφορ σοτρ να μην ξεπεπνά μια ςτγκεκπιμένη σιμή [5,45]. Εικϋνα 1.5 (α) Απλϋ κβανσικϋ υπεάσιο GaAs/AlGaAs σο οποίο ςφημασίζεσαι με κασάλληλη διαδικαςία μεσαξό δόο ςσπψμάσψν AlGaAs. σο κασύσεπο μιςϋ σηρ εικϋναρ δίνεσαι σο διάγπαμμα μεσαβολήρ σηρ ζύνηρ ςθένοτρ και σηρ ζύνηρ αγψγιμϋσησαρ ςτναπσήςει σηρ απϋςσαςηρ z. (β) Ανσίςσοιφο διάγπαμμα για ένα πολλαπλϋ κβανσικϋ υπεάσιο GaAs/AlGaAs. Οι πιο ςημανσικέρ σεφνικέρ ανάπστξηρ επισαξιακύν κβανσικύν υπεάσψν είναι ατσέρ σηρ Επισαξίαρ Μοπιακήρ Δέςμηρ (Molecular Beam Epitaxy - MBE), σηρ Mέσαλλο-Oπγανικήρ Xημικήρ Aπϋθεςηρ Aσμύν (Metal- Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD) ή αλλιύρ Μέσαλλο- Oπγανικήρ Επισαξίαρ Υάςηρ Ασμύν (Μetal-Organic Vapour-Phase Epitaxy - MOVPE) και ατσή σηρ Επισαξίαρ Τγπήρ Υάςηρ (Liquid-Phase Epitaxy - LPE) [5,45]. Η σεφνική ποτ επίςηρ φπηςιμοποιείσαι για ση ανάπστξη λεπσύν ημιαγψγικύν τμενίψν είναι ατσή σηρ υτςικήρ εναπϋθεςηρ μέςψ σηρ Ιονσοβολήρ ( Sputtering ) και είναι δτνασή η παπαγψγή πολτκπτςσαλλικύν ή και επισαξιακύν τμενίψν. Η σελετσαία ευαπμογή 22

55 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ ςτνήθψρ φπηςιμοποιείσαι ςσην ανάπστξη πολτςσπψμασικύν τμενίψν ημιαγψγοό/άμοπυοτ οξειδίοτ π.φ. Si/SiO x ή SiO x/sio 2 [46,48] ή και Si ncs- SiO 2/SiO 2 [49,50]. Η γκάμα σψν τλικύν ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ςσιρ οπσοηλεκσπονικέρ ευαπμογέρ και οι ςτνδταςμοί σοτρ, ϋφι μϋνο ςση κασαςκετή σψν τπεππλεγμάσψν και σψν κβανσικύν υπεάσψν αλλά και για φπήςη ψρ κασάλληλψν τποςσπψμάσψν ανάπστξηρ, είναι σεπάςσια. Ενδεικσικά, αναυέποτμε ϋσι τλικά ϋπψρ είναι σο Si, σο Ge, σο InGaAs, σο PbS, σο GaAs και σο AlGaAs φπηςιμοποιοόνσαι ςσην ανάπστξη υψσοδιϋδψν, υψσοπολλαπλαςιαςσύν και υψσοβολσαωκύν ςσοιφείψν ήδη εδύ και απκεσά φπϋνια [51]. Άλλα παπαδείγμασα είναι σο InP και σο LiNbO 3, σα οποία φπηςιμοποιοόνσαι ςε Υψσονικά Ολοκληπψμένα Κτκλύμασα (Photonic Integrated Circuits - PIC). Απϋ σα τλικά ατσά ξεφψπίζει ιςσοπικά η ςημανσικϋσησα σοτ Si ςσιρ διάυοπερ ευαπμογέρ, η οποία πηγάζει απϋ σιρ εξαιπεσικέρ ηλεκσπικέρ, οπσικέρ και δομικέρ ιδιϋσησέρ σοτ, απϋ σο φαμηλϋ σοτ κϋςσορ και απϋ σην όπαπξη σοτ πολό φπήςιμοτ οξειδίοτ σοτ [52]. ήμεπα, ιδιαίσεπη άνθηςη γνψπίζει η κασηγοπία εκείνη σψν οπσοηλεκσπονικύν η οποία βαςίζεσαι ςσα Διαυανή Ημιαγψγικά Οξείδια (Transparent Semiconducting Oxides - TSOs). Η μεγάλη αλλαγή έγινε με σην ανακάλτχη σψν p-σόποτ TCOs με αποσέλεςμα σην κασαςκετή pn επαυύν, ςσοιφείο σο οποίο είναι καθοπιςσικϋ για ση κασαςκετή ηλεκσπονικύν διασάξεψν [53]. Έγινε έσςι δτνασή η κασαςκετή, για παπάδειγμα transistors λεπσύν τμενίψν με βάςη μονοκπτςσαλλικά τμένια τπεππλεγμάσψν InGaO 3(ZnO) 5, LEDs απϋ p-type SrCu 2O 2 και n-type ZnO, ϋπψρ επίςηρ και μονοκπτςσαλλικέρ pn-εσεποεπαυέρ ποτ λεισοτπγοόν ψρ ανιφνετσέρ UV απϋ NiO και ZnO. Ήδη φπηςιμοποιοόνσαν διαυανή 23

56 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ αγύγιμα οξείδια (Transparent Conducting Oxides - TCOs), ϋπψρ για παπάδειγμα είναι σα ΙΣΟ (Indium Tin Oxide), ZnO:Al, Ga 2O 3, SnO, SnO 2 και In 2O 3, ςαν διάυανοι αγψγοί ςε οθϋνερ LCD (Liquid Crystal Display), TFTs (Thin Film Transistor) και Organic LEDs (OLEDs), αλλά και ψρ TSOs ςε διασάξειρ MISFETs, MESFETs, MOSFETs και ICs [54,55]. 1.3 κοπόρ ηηρ Γιαηπιβήρ Η παποόςα διασπιβή αςφολείσαι με κλαςςικά τλικά, σα οποία ϋμψρ ςε μοπυή νανοςψμασιδίψν και λεπσύν μονοςσπψμασικύν ή πολτςσπψμασικύν τμενίψν παποτςιάζοτν αςτνήθιςσερ και ενστπψςιακέρ ιδιϋσησερ, οι οποίερ σα καθιςσοόν τποχήυια τλικά για ευαπμογέρ ςε μαγνησικέρ και οπσοηλεκσπονικέρ νανοδομέρ και νανοδιασάξειρ με απϋλτσα ελεγφϋμενη ςτμπεπιυοπά. Βαςικϋ ανσικείμενο ατσήρ σηρ θέςηρ είναι η ανάπστξη λεπσύν μονοςσπψμασικύν και πολτςσπψμασικύν τμενίψν ποτ βαςίζονσαι ςε οξείδια ημιαγψγύν και μεσαβασικύν μεσάλλψν, ϋπψρ επίςηρ και η μελέση σψν μαγνησικύν και οπσικύν σοτρ ιδιοσήσψν. Κασά ση φπονική διάπκεια σηρ διασπιβήρ ατσήρ έγιναν κασά ςειπά σα εξήρ: ε ππύση υάςη έγινε επιςκετή σοτ θαλάμοτ ιονσοβολήρ τπεπτχηλοό κενοό και πποςαπμϋςσηκε μικπομεσπική βαλβίδα για σην ειςαγψγή αέπα. Με ση φπήςη σοτ θαλάμοτ έγινε κασϋπιν η ανάπστξη μαγνησικύν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO με ση μέθοδο σηρ υτςικήρ οξείδψςηρ. Εν ςτνεφεία, ακολοόθηςε ο δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ ατσύν με μεθϋδοτρ ϋπψρ είναι η ηλεκσπονική μικποςκοπία και η ανάκλαςη ακσίνψν-φ. Κασϋπιν, ακολοόθηςε ο μαγνησικϋρ φαπακσηπιςμϋρ σψν δειγμάσψν ο οποίορ έγινε με μεθϋδοτρ μαγνησομεσπίαρ SQUID και ΜΟΚΕ. Σέλορ, έγινε η ςτλλογή ϋλψν σψν δεδομένψν και η ανάλτςη σψν 24

57 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ αποσελεςμάσψν. Σο πλήθορ σψν δειγμάσψν ποτ παπαςκετάςσηκαν ςσα πλαίςια ατσήρ σηρ υάςηρ σηρ διασπιβήρ ήσαν απκεσά μεγάλο, ϋπψρ επίςηρ και πολό μεγάλο ήσαν σο πλήθορ σψν διαυοπεσικύν δομικύν και μαγνησικύν μεσπήςεψν. Ένα πολό μεγάλο μέπορ σηρ επγαςίαρ αποσέλεςε επίςηρ η βαθμονϋμηςη σψν ςτςκετύν φαπακσηπιςμοό και η ςτλλογή και επεξεπγαςία σψν δεδομένψν. ε δεόσεπη υάςη, ακολοόθηςε η ανάπστξη σψν τμενίψν οξειδίψν σοτ Cu, σοτ Νi και σοτ Si. Για σην παπαςκετή σψν δόο ππύσψν, αναπσόφθηκαν απφικά σα τμένια σψν μεσάλλψν, σα οποία ςση ςτνέφεια αποσέλεςαν σην ππύση όλη για ση δημιοτπγία σψν ανσίςσοιφψν οξειδίψν με διαδικαςία οξείδψςηρ ςε ςτγκεκπιμένη θεπμοκπαςία και για ςτγκεκπιμένο φπϋνο. Σα τμένια SiO x αναπσόφθηκαν με ση μέθοδο σηρ reactive ιονσοβολήρ και κασϋπιν τποβλήθηκαν ςε ανϋπσηςη είσε ςε πεπιβάλλον εξψσεπικοό αέπα με ςκοπϋ σην πλήπη οξείδψςή σοτρ, είσε ςε ασμϋςυαιπα Ar με ςκοπϋ ση δημιοτπγία νανοκπτςσαλλικύν εγκλειςμάσψν Si. Σα τμένια, κασϋπιν, φαπακσηπίςσηκαν δομικά με ση βοήθεια ςτςκετύν πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ και ανάκλαςηρ ακσίνψν-φ. Κασϋπιν, ακολοόθηςε ο οπσικϋρ σοτρ φαπακσηπιςμϋρ με ση μέθοδο μέσπηςηρ αποππϋυηςηρ οπασοό-τπεπιύδοτρ και ση υαςμασοςκοπία υψσουψσαόγειαρ και σέλορ η ανάλτςη σψν αποσελεςμάσψν. σα πλαίςια ατσήρ σηρ διασπιβήρ αναπσόφθηκαν κι εξελίφθηκαν σεφνικέρ παπαςκετήρ, ϋπψρ επίςηρ κασαγπάυηκαν και ςτνθήκερ εναπϋθεςηρ και παπαςκετήρ τμενίψν ποτ ενδέφεσαι να παποτςιάζοτν μεγάλο ππακσικϋ ενδιαυέπον ςσην κασαςκετή νανοδιασάξεψν. Αναφορές [1] en.wikipedia.org/wiki/high_tech. 25

58 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ [2] W. D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction, 5th ed., Wiley, New York, [3] A. Luque and S. Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley, West Sussex, England [4] M. Ashby, H. Shercliff, and D. Cebon, Τλικά: Μηφανική, επιςσήμη, επεξεπγαςία και ςφεδιαςμϋρ, Κλειδάπιθμορ, Αθήνα, [5] J. Singh, Οπσοηλεκσπονική, Α. Σζιϋλα Ε., Θεςςαλονίκη, Ελλάδα [6] G. W. Hanson, Απφέρ Νανοηλεκσπονικήρ, Σζιϋλα, Αθήνα, [7] Σ. Ihn, Semiconductor Nanostructures: Quantum States and Electronic Transport, Oxford University Press, Oxford New York, [8] Π. Ποτλϋποτλορ, Ανάπστξη και ιδιϋσησερ μεσαλλικύν τμενίψν διαμοπυψμένηρ δομήρ, Διδακσοπική Διασπιβή, Απιςσοσέλειο Πανεπιςσήμιο, Θεςςαλονίκη [9] P. Isberg, Preparation of Fe/V Superlattices, PhD thesis, Uppsala University [10] I. Soroka, Magnetic Heterostructures: The Effect of Compositional Modulation on Magnetic Properties, PhD thesis, Uppsala University, Uppsala [11]. Δ. Παππάρ, Ανάπστξη λεπσύν τμενίψν με ση μέθοδο sputtering: Φαπακσηπιςμϋρ και ιδιϋσησερ μαγνησικύν λεπσύν τμενίψν σεφνολογικοό ενδιαυέπονσορ, Διπλψμασική Επγαςία, Πανεπιςσήμιο Πασπύν, Πάσπα [12] B. Y. Jin, and J. B. Ketterson, Advances in Physics 38, 189 (1989) και οι εκεί αναυοπέρ. [13] en.wikipedia.org/wiki/oberlin_smith. [14] en.wikipedia.org/wiki/valdemar_poulsen. 26

59 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ [15] S. N. Piramanayagam, J. Appl. Phys. 102, (2007). [16] S. Iwasaki, J. Magn. Magn. Mat. 324, 244 (2012) [17] M. Oshiki, J. Magn. Magn. Mat. 324, 354 (2012). [18] J. K. W. Yang, Y. Chen, T. Huang, H. Duan, N. Thiyagarajah, H. K. Hui, S. H. Leong, and V. Ng, Νanotechnology 22, (2011). [19] M. A. Bashir, T. Schrefl, J. Dean, A. Goncharov, G. Hrkac, D. A. Allwood, D. Suess, J. Magn. Magn. Mat. 324, 269 (2012). [20] V. Kapaklis, S. Grammatikopoulos, R. Sordan, A. Miranda, F. Traversi, H. von Känel, D. Trachylis, P. Poulopoulos and C. Politis, J. Nanosci. & Nanotechnol. 10, 6056 (2010). [21] T. Osaka, T. Asahi, J. Kawaji, T. Yokoshima, Electrochimica Acta 50, 4576 (2005). [22] J. Kim, C. Rong, Y. Lee, J. P. Liu, and S. Sun, Chem. Mater. 20, 7242 (2008). [23] M. Chen, J. P. Liu, and S. Sun, J. Am. Chem. Soc. 126, 8394 (2004). [24] J.-II Park, M. G. Kim, Y.-w. Jun, J. S. Lee, W.-r. Lee, and J. Cheon, J. Am. Chem. Soc. 126, 9072 (2004). [25] M. Chen, J. Kim, J. P. Liu, H. Fan, and S. Sun, J. Am. Chem. Soc. 128, 7132 (2006). [26] V. Nandwana, K. E. Elkins, N. Poudyal, G. S. Chaubey, K. Yano, and J. P. Liu, J. Phys. Chem. C 111, 4185 (2007). [27] M. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988). [28] J. Barnas, A. Fuss, R. Camley. P. Grünberg, W. Zinn, Phys. Rev. B 42, 8110 (1990). [29] W. P., Jr., Pratt, S.-F. Lee, J. M. Slaughter, R. Loloee, P. A. Schroeder, and J. Bass, Rev. Lett. 66, 3060 (1991). 27

60 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ [30] Ι. Žutić, J. Fabian, S. Das Sarma, Rev. Mod. Phys. 76, 323 (2004) και οι εκεί αναυοπέρ [31] S. A. Wolf, D. D. Awschalom, R. A. Buhrman, J. M. Daughton, S. von Molnár, M. L. Roukes, A. Y. Chtchelkanova, D. M. Treger, Science 294, 1488 (2001). [32] J. S. Moodera, L. R. Kinder, T. M. Wong and R. Meservey, Phys. Rev. Lett. 74, (1995). [33] T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater. 139, L231 (1995). [34] S. S. P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula, P. M. Rise, B. Hughes, M. Samant and S. -H. Yang, Nature Mater. 3, 862 (2004). [35] S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki and K. Ando, Nature Mater. 3, 868 (2004). [36] S. Ikeda, J. Hayakawa, Y. Ashizawa, Y. M. Lee, K. Miura, H. Hasegawa, M. Tsunoda, H. Matsukura, and H. Ohno, Appl. Phys. Lett. 93, (2008). [37] M. Vadalá, K. Zhernenkov, M. Wolff, B. P. Toperverg, K. Westerholt, H. Zabel, P. Wisniowski, S. Cardoso, and P. P. Freitas, J. Appl. Phys. 105, (2009). [38] B. Dieny, R. C. Sousa, J. Hérault, C. Papusoi, G. Prenat, U. Ebels, D. Houssameddine, B. Rodmacq, S. Auffret and L. D. Buda-Prejabeanu, Int. J. Nanotechnol. 7, 591 (2010). [39] L. Prejbeanu, S. Bandiera, J. Alvarez-Hérault, R. C. Sousa, B. Dieny, and J-P Nozières, J. Phys. D: Appl. Phys. 46, (2013). [40] L. Savtchenko, B. Engel, N. D. Rizzo, M. F. Deherrera and J. A. Janesky Patent US (2003). 28

61 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ [41] S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma, H. D. Gan, M. Endo, S. Kanai, J. Hayakawa, F. Matsukura and H. Ohno, Nature Mater. 9, 721 (2010). [42] M. Gajek et al. Appl. Phys. Lett. 100, (2012). [43] S. Bandiera, R. C. Sousa, M. Marins de Castro, C. Ducruet, C. Portemont, S. Auffret, L. Vila, I. L. Prejbeanu, B. Rodmacq and B. Dieny Appl. Phys. Lett. 99, (2011). [44] E. C. Cho, M. A. Green, G. Conibeer, D. Song, Y. H. Cho, G. Scardera, S. Huang, S. Park, X. J. Hao, Y. Huang, and L. V. Dao, Advances in Optoelectronics Volume 2007, Article ID 69578, 11 pages, [45] M. Fox, Optical Properties of Solids, Second Edition, Oxford University Press, 2010 [46] L. X. Yi, J. Heitmann, R. Scholz, and M. Zacharias, J. Phys.: Condens. Matter 15, S2887 (2003). [47] L. X. Yi, J. Heitmann, R. Scholz, and M. Zacharias, Appl. Phys. Lett. 81, 4248 (2002). [48] M. Zacharias, L. X. Yi, J. Heitmann, R. Scholz, M. Reiche, and U. Gösele, Solid State Phenomena 94, 95 (2003). [49] L. Pavesi, L. Dal Negro, C. Mazzoleni, G. Franzò, Nature 408, 440 (2000). [50] S. D. Pappas, S. Grammatikopoulos, P. Poulopoulos, V. Kapaklis, A. Delimitis, D. Trachylis, and C. Politis, J. Nanosci. Nanotechnol. 11, 3684 (2011). [51] G. Held, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). [52] P. Siffert, E. Krimmel Silicon: Evolution and Future of a Technology Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (2004). 29

62 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΑΓΩΓΗ [53] H. Ohta, H. Hosono, Mater. Today 7, 42 (2004). [54] M. Grundmann, H. Frenzel, A. Lajn, M. Lorenz, F. Schein, and H. von Wenckstern, Phys. Status Solidi A 207, 1437 (2010). [55] E. Fortunato, P. Barquinha, and R. Martins, Adv. Mater. 24, 2945 (2012). 30

63 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ Κεθάλαιο 2 Πειπαμαηικέρ Σεσνικέρ Ανάπηςξηρ και Υαπακηηπιζμού Περίληψη σο κευάλαιο ατσϋ θα γίνει αναυοπά ςσιρ σεφνικέρ ποτ φπηςιμοποιήθηκαν: α) για σην ανάπστξη σψν μαγνησικύν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO, σψν μονοςσπψμασικύν ημιαγψγικύν τμενίψν Cu 2O, CuO, ΝiO και σψν μονοςσπψμασικύν τμενίψν οξειδίοτ σοτ Si, β) για σον δομικϋ, μαγνησικϋ και οπσικϋ φαπακσηπιςμϋ ατσύν. Η σεφνική ανάπστξηρ σψν τμενίψν ποτ φπηςιμοποιήθηκε είναι η μέθοδορ υτςικήρ απϋθεςηρ ασμύν, ιονσοβολήρ. Θα γίνει, λοιπϋν, μια ςτνοπσική πεπιγπαυή σψν ςτςκετύν απϋθεςηρ ποτ φπηςιμοποιήθηκαν και θα αναυεπθοόν σα φαπακσηπιςσικά λεισοτπγίαρ σοτρ. Κασϋπιν, θα γίνει αναυοπά ςσιρ μεθϋδοτρ δομικοό φαπακσηπιςμοό, ϋπψρ είναι ατσέρ σηρ πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ (XRD), σηρ ανάκλαςηρ ακσίνψν-φ (XRR), σηρ ηλεκσπονικήρ μικποςκοπίαρ διέλετςηρ ηλεκσπονίψν (ΣΕΜ), και ςσιρ μεθϋδοτρ μαγνησικοό φαπακσηπιςμοό, ϋπψρ είναι ατσέρ σηρ μαγνησομεσπίαρ τπεπαγύγιμηρ ςτςκετήρ κβανσικήρ ςτμβολήρ (SQUID) και σηρ μαγνησομεσπίαρ μαγνήσο-οπσικοό υαινομένοτ Kerr (MOKE). Σέλορ, θα γίνει η ςόνσομη πεπιγπαυή σψν ςτςκετύν και σψν μεθϋδψν υαςμασουψσομεσπίαρ οπασοό-τπεπιύδοτρ (UV-Vis) και σηρ υαςμασοςκοπίαρ υψσουψσαόγειαρ (PL), οι οποίερ φπηςιμοποιήθηκαν για σον οπσικϋ φαπακσηπιςμϋ σψν ημιαγψγικύν δειγμάσψν. 31

64 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ 2.1 Διζαγυγή Οι μέθοδοι απϋθεςηρ μονοςσπψμασικύν ή και πολτςσπψμασικύν τμενίψν μεσαλλικύν ή ημιαγψγικύν τλικύν φψπίζονσαι κτπίψρ ςε σπειρ κασηγοπίερ: 1) Η ηλεκσποαπϋθεςη, 2) η φημική απϋθεςη ασμύν (Chemical Vapor Deposition ή CVD) και 3) η υτςική απϋθεςη ασμύν (Physical Vapor Deposition ή CVD). Η ηλεκσποαπϋθεςη ςαν μέθοδορ απϋθεςηρ τμενίψν είναι ιςσοπικά η πιο παλιά αλλά και ςτνάμα η πιο εόκολη. Ατσϋ ποτ φπειάζεσαι είναι να εμβαπσίςει κάποιορ ένα αγύγιμο τπϋςσπψμα καθύρ κι ένα δεόσεπο ηλεκσπϋδιο για σην ολοκλήπψςη σοτ κτκλύμασορ ςε ένα ηλεκσπολτσικϋ διάλτμα ποτ πεπιέφει ιϋνσα σοτ επιθτμησοό τλικοό. Γνψπίζονσαρ σύπα σο ολικϋ υοπσίο ποτ διέππετςε μέςα απϋ σο κόκλψμα, ολοκληπύνονσαρ σο πεόμα ςση φπονική διάπκεια σηρ απϋθεςηρ, μποποόμε να ελέγξοτμε σο πάφορ σοτ τμενίοτ ποτ αναπσόφθηκε πάνψ ςσο τπϋςσπψμα. Η φημική απϋθεςη ασμύν είναι εκείνη η μέθοδορ κασά σην οποία ένα αέπιο ένψςη τχηλήρ φημικήρ δπαςσικϋσησαρ ανσιδπά με άλλα αέπια ποτ ειςάγονσαι ςσo θάλαμο απϋθεςηρ και η επιθτμησή ένψςη ςε μοπυή ςτςςψμασψμάσψν ή μοπίψν ποτ πποκόπσει επικάθεσαι πάνψ ςε ένα τπϋςσπψμα. Επειδή οι μέθοδοι φημικήρ απϋθεςηρ ασμύν δεν απαισοόν κασά κανϋνα τχηλϋ ή τπεπόχηλο κενϋ είναι ππογενέςσεπερ ατσύν σψν μεθϋδψν υτςικήρ απϋθεςηρ. ήμεπα, η μέθοδορ ατσή φπηςιμοποιείσαι κτπίψρ ςσην ανάπστξη ημιαγψγικύν τμενίψν [1]. ση γενικϋσεπη κασηγοπία σηρ υτςικήρ απϋθεςηρ ασμύν κασασάςςονσαι οι μέθοδοι σηρ θεπμικήρ εξάφνψςηρ ενϋρ τλικοό (thermal evaporation), η εξάφνψςη με δέςμη ηλεκσπονίψν (e-beam evaporation), η μέθοδορ r.f. ή d.c. ιονσοβολήρ, και η εξάφνψςη με ση βοήθεια μιαρ παλμικήρ πηγήρ laser. Επίςηρ, ππέπει να αναυεπθεί και η μέθοδορ σηρ επισαξίαρ μοπιακήρ δέςμηρ (Molecular Beam Epitaxy ή MBE) κασά σην οποία έφοτμε σην 32

65 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ ανάπστξη ενϋρ τμενίοτ μιαρ ένψςηρ, μέςψ σηρ δημιοτπγίαρ μιαρ μοπιακήρ δέςμηρ απϋ σον επιθτμησϋ ςτμπαγή ςσϋφο ατσήρ σηρ ένψςηρ [1]. Κοινϋ φαπακσηπιςσικϋ ϋλψν σψν παπαπάνψ μεθϋδψν είναι ϋσι κασά ση διαδικαςία σηρ απϋθεςηρ δεν λαμβάνει φύπα καμία φημική ανσίδπαςη ψρ ενδιάμεςο ςσάδιο για ση δημιοτπγία σψν ενύςεψν ποτ εναποσίθενσαι, αλλά σο τλικϋ μεσαπίπσει απϋ σην ςσεπεά ή σην τγπή υάςη ςσην αέπια και ςση ςτνέφεια ςτμπτκνύνεσαι πάνψ ςε ένα τπϋςσπψμα. σο κευάλαιο ατσϋ, θα γίνει αναυοπά ςση μέθοδο υτςικήρ απϋθεςηρ ασμύν ιονσοβολήρ (r.f. και d.c.), με σην οποία έγινε η ανάπστξη σψν μαγνησικύν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO ϋπψρ επίςηρ και σψν ημιαγψγικύν οξειδίψν Cu 2O, CuO και NiO. Θα γίνει, επιπλέον, πεπιγπαυή σψν θαλάμψν ανάπστξηρ ιονσοβολήρ και θα παποτςιαςσοόν σα ςημανσικϋσεπα φαπακσηπιςσικά σοτρ. Οι πειπαμασικέρ σεφνικέρ ποτ φπηςιμοποιήθηκαν για σον φαπακσηπιςμϋ σψν τμενίψν μποποόν να κασηγοπιοποιηθοόν ψρ εξήρ: α) Σεφνικέρ δομικοό φαπακσηπιςμοό, β) Σεφνικέρ μαγνησικοό φαπακσηπιςμοό και γ) Σεφνικέρ οπσικοό φαπακσηπιςμοό. σην 1 η κασηγοπία ανήκοτν η σεφνική πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ (XRD), η οποία μαρ δίνει πληπουοπίερ για σην κπτςσαλλογπαυική δομή σηρ όληρ, η σεφνική ανακλαςιμεσπίαρ ακσίνψν-φ (XRR), η οποία μαρ δίνει πληπουοπίερ ςφεσικέρ με σο πάφορ ενϋρ λεπσοό τμενίοτ και σηρ σπαφόσησάρ σοτ, και σέλορ η ηλεκσπονική μικποςκοπία διεπφϋμενηρ δέςμηρ (ΣΕΜ), απϋ σην οποία μποποόμε να έφοτμε υψσογπαυίερ σοτ δείγμασορ ποτ υθάνοτν ςε ασομικϋ επίπεδο και με ππϋςθεσερ σεφνικέρ μποποόμε να έφοτμε ςσοιφειομεσπική ανάλτςη, ϋπψρ επίςηρ και ανάλτςη σψν σάςεψν ποτ τπάπφοτν ςε ένα κπτςσαλλικϋ τλικϋ. Η σεφνική ΣΕΜ αποσελεί ετθεία απϋδειξη σψν δομικύν, κπτςσαλλογπαυικύν και ςσοιφειομεσπικύν ιδιοσήσψν και παπαμέσπψν ενϋρ τλικοό. ση δεόσεπη κασηγοπία ανήκοτν οι σεφνικέρ μαγνησομεσπίαρ τπεπαγύγιμηρ ςτςκετήρ κβανσικήρ ςτμβολήρ 33

66 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ (SQUID) και η μαγνησομεσπία μαγνησο-οπσικοό υαινομένοτ Κerr (ΜΟΚΕ), με σην ππύση να έφει ση δτνασϋσησα να μαρ παπέφει απϋλτσερ σιμέρ μαγνήσιςηρ σοτ τλικοό και πολό τχηλή εταιςθηςία, και ση δεόσεπη να μαρ παπέφει μαγνησικοόρ βπϋφοτρ με πολό λιγϋσεπο φπονοβϋπο διαδικαςία και τχηλή εταιςθηςία. ση 3 η κασηγοπία ανήκοτν η υαςμασοςκοπία Οπασοό Τπεπιύδοτρ (UV-VIS), η οποία παπέφει σην πληπουοπία σηρ οπσικήρ αποππϋυηςηρ ενϋρ τλικοό ςτναπσήςει σοτ διεπφϋμενοτ μήκοτρ κόμασορ, και η υαςμασοςκοπία υψσουψσαόγειαρ (PL). Όπψρ θα υανεί, η ππύση μποπεί να παπέφει τχηλήρ ποιϋσησαρ μεσπήςειρ με μεγάλο λϋγο ςήμασορ ππορ θϋπτβο, ακϋμη και για τμένια με πάφορ σηρ σάξηρ σοτ 1 nm. Η δεόσεπη σεφνική φπηςιμοποιείσαι ςση πεπίπσψςη τλικύν ποτ επιδεικνόοτν υψσουψσαόγεια η μποπεί να πποέπφεσαι απϋ σην επαναςόνδεςη ζετγύν ηλεκσπονίψν-οπύν ςε ημιαγψγοόρ αμέςοτ φάςμασορ, είσε απϋ μεσαβάςειρ μεσαξό ηλεκσπονιακύν κασαςσάςεψν οι οποίερ ενσοπίζονσαι μέςα ςσο ενεπγειακϋ φάςμα σοτ τλικοό και δημιοτπγοόνσαι απϋ δομικέρ ασέλειερ. 2.2 Μέθοδορ Φςζικήρ Απόθεζηρ Αημών Ιονηοβολήρ Γιαδικαζία ιονηοβολήρ Η απϋθεςη με σην σεφνική σηρ ιονσοβολήρ, ή ϋπψρ αναυέπεσαι διεθνύρ ςσην αγγλική οπολογία sputtering, ππαγμασοποιείσαι με ση δημιοτπγία πλάςμασορ πάνψ ςσην επιυάνεια ενϋρ τλικοό «ςσϋφοτ». Κασαπφήν για ση δημιοτπγία σοτ πλάςμασορ, ευαπμϋζεσαι μια διαυοπά δτναμικοό μεσαξό σοτ ςσϋφοτ, σο οποίο διασηπείσαι ςε απνησικϋ δτναμικϋ, και σοτ θαλάμοτ ποτ αποσελεί ση γείψςη. Με σον σπϋπο ατσϋ, επέπφεσαι ιονιςμϋρ σοτ αεπίοτ ποτ φπηςιμοποιείσαι (π.φ. Ar), και σα θεσικά ιϋνσα σοτ αεπίοτ ποτ δημιοτπγοόνσαι βομβαπδίζοτν σον ςσϋφο. Έφοτμε έσςι, μέςψ σοτ βομβαπδιςμοό, σην απϋςπαςη ασϋμψν ή και ςτςςψμασψμάσψν ασϋμψν 34

67 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ απϋ σο ςσϋφο απϋ σα θεσικά ιϋνσα σοτ πεπιβάλλονσορ αεπίοτ, σα οποία ςση ςτνέφεια ςτμπτκνύνονσαι πάνψ ςε ένα τπϋςσπψμα ποτ σοποθεσείσαι απένανσι απϋ σον ςσϋφο. Ένα μεγάλο μέπορ σηρ κινησικήρ ενέπγειαρ σψν ιϋνσψν σοτ αεπίοτ μεσασπέπεσαι ςε θεπμϋσησα και για σο λϋγο ατσϋ η κευαλή ιονσοβολήρ, η οποία είναι ςσην οτςία ένα ηλεκσπϋδιο απϋ φαλκϋ ηλεκσπικά απομονψμένο απϋ σον θάλαμο κενοό, είναι τδπϋχτκση. Οι μάγνησπον κευαλέρ ιονσοβολήρ ( magnetron sputtering heads ) υέποτν πίςψ απϋ σο ηλεκσπϋδιο σοτ φαλκοό έναν δακστλιοειδή μϋνιμο μαγνήση, ο οποίορ πεπιέφει ςσο κένσπο σοτ έναν άλλο μϋνιμο μαγνήση με ανσίθεση πολικϋσησα. Με σον σπϋπο ατσϋ δημιοτπγείσαι ςσο φύπο, ακπιβύρ πάνψ απϋ σην επιυάνεια σηρ κευαλήρ, ένα μαγνησικϋ πεδίο ςε ςφήμα σϋποτ. Ο ςτνδταςμϋρ ατσϋρ σοτ μαγνησικοό και σοτ ηλεκσπικοό πεδίοτ ςτγκενσπύνει σο πλάςμα ποτ δημιοτπγείσαι ακπιβύρ πάνψ απϋ σην επιυάνεια σοτ ςσϋφοτ και ατξάνεσαι έσςι ο πτθμϋρ ππϋςπσψςηρ ιϋνσψν Ar πάνψ ς ατσϋν σάξειρ μεγέθοτρ ςε ςφέςη με μια απλή κευαλή ιονσοβολήρ. Όλερ οι κευαλέρ ιονσοβολήρ ποτ φπηςιμοποιοόνσαι ςήμεπα ςε επετνησικέρ ή και βιομηφανικέρ ευαπμογέρ είναι σόποτ μάγνησπον γιασί πποςυέποτν πολό μεγαλόσεποτρ πτθμοόρ απϋθεςηρ απ ϋσι οι απλέρ κευαλέρ ιονσοβολήρ και με μικπϋσεπη ευαπμοζϋμενη διαυοπά δτναμικοό. ση πεπίπσψςη σύπα ποτ ο ςσϋφορ ποτ φπηςιμοποιοόμε είναι μονψσικϋ τλικϋ, μια d.c. ηλεκσπική πηγή δεν θα ήσαν κασάλληλη για ση διαδικαςία ιονσοβολήρ, αυοό η επιυάνεια σοτ ςσϋφοτ θα υοπσιζϋσαν θεσικά και κάποια ςσιγμή θα διακϋπσονσαν η διαδικαςία. ατσή ση πεπίπσψςη φπηςιμοποιοόμε μια εναλλαςςϋμενη πηγή τχηλήρ ςτφνϋσησαρ r.f.. Με σον σπϋπο ατσϋ απουεόγεσαι σο ανεπιθόμησο υαινϋμενο σηρ ηλεκσπική υϋπσιςηρ σοτ ςσϋφοτ και η διακοπή σοτ πλάςμασορ. Η r.f. διαδικαςία μποπεί να ευαπμοςσεί ςε ςσϋφοτρ απϋ 35

68 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ μονψσικϋ τλικϋ ϋςο και ςε αγύγιμα τλικά. Απϋ σην άλλη, η d.c. μέθοδορ ιονσοβολήρ μποπεί να ευαπμοςσεί μϋνο ςε αγύγιμοτρ ςσϋφοτρ. Σέλορ, θα ππέπει επιπλέον να αναυέποτμε ϋσι με σην ειςαγψγή ενϋρ φημικά δπαςσικοό αεπίοτ ςσο θάλαμο απϋθεςηρ κασά ση διάπκεια σηρ διαδικαςίαρ, μποποόμε να επισόφοτμε σην ανάπστξη ενϋρ τμενίοτ σηρ ένψςηρ μεσαξό σοτ τλικοό σοτ ςσϋφοτ και σοτ ανσιδπύνσορ αεπίοτ [2]. Η ανσίδπαςη σοτ δπαςσικοό αεπίοτ με σο τλικϋ σοτ ςσϋφοτ μποπεί να ππαγμασοποιείσαι κασά ση διαδπομή σψν ασϋμψν σοτ ςσϋφοτ ππορ σο τπϋςσπψμα ϋποτ και ςτμπτκνύνονσαι ή/και ςσην επιυάνεια σοτ τποςσπύμασορ ή/και ήδη απϋ σην επιυάνεια σοτ ςσϋφοτ, ανάλογα με σιρ ςτνθήκερ απϋθεςηρ (π.φ. ποή ανσιδπύνσορ αεπίοτ ή λϋγορ μεπικύν πιέςεψν) [2]. Η πεπίπσψςη ατσή αποσελεί υτςικά μια τβπιδική σεφνική υτςικήρ και σεφνικήρ απϋθεςηρ ασμύν. Η σεφνική ατσή αναυέπεσαι ςση διεθνή βιβλιογπαυία ςαν reactive sputtering ή ςσην ελληνική οπολογία ιονσοβολή ανσίδπαςηρ [2] Θάλαμορ ιονηοβολήρ ςπεπςτηλού κενού Για σην ανάπστξη σψν μαγνησικύν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Νi/NiO και σψν τμενίψν Cu (με σην οξείδψςη σψν οποίψν ππαγμασοποιήθηκε η παπαςκετή σψν μονοςσπψμασικύν τμενίψν Cu 2O και CuO) φπηςιμοποιήθηκε η σεφνική σηρ r.f. μάγνησπον ιονσοβολήρ και η ανάπστξη έγινε ςε θάλαμο τπεπτχηλοό κενοό. σην Εικϋνα 2.1 υαίνεσαι η υψσογπαυία σοτ θαλάμοτ τπεπτχηλοό κενοό r.f. μάγνησπον ιονσοβολήρ (με κασάλληλη φπήςη σπουοδοσικοό μποπεί να φπηςιμοποιηθεί και ψρ θάλαμορ d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ) με βαςική πίεςη 5 x 10-8 mbar, ο οποίορ βπίςκεσαι ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ 36

69 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ (γ) (β) (δ) (α) Εικϋνα 2.1 Υψσογπαυία σοτ θαλάμοτ κενοό ϋποτ υαίνονσαι: (α) Η πεπιςσπουική ανσλία, (β) Η ςσποβιλομοπιακή ανσλία, (γ) Η κευαλή ιονσοβολήρ και (δ) Σα ϋπγανα ακπιβείαρ για σην μέσπηςη σοτ κενοό. Σεφνολογίαρ. O θάλαμορ είναι κασαςκεταςμένορ απϋ ανοξείδψσο ασςάλι και διαθέσει γενικά υλάνσζερ τπεπτχηλοό κενοό, εκσϋρ απϋ σιρ υλάνσζερ ςόνδεςηρ με σην ςσποβιλομοπιακή ανσλία, ϋποτ φπηςιμοποιοόνσαι υλάνσζερ μέςοτ κενοό με πολτμεπέρ σόποτ VITON. Σο κενϋ σοτ θαλάμοτ παπάγεσαι απϋ μια ςσποβιλομοπιακή ανσλία σόποτ TPH 500, σηρ εσαιπείαρ Pfeiffer με σαφόσησα άνσληςηρ 500 L/sec, η οποία με ση ςειπά σηρ τποςσηπίζεσαι απϋ 37

70 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ μία μηφανική ανσλία 2 ςσαδίψν, σόποτ DUO 030 A, σηρ εσαιπείαρ Pfeiffer και με σαφόσησα άνσληςηρ 30 m 3 /h. Σο κενϋ σοτ θαλάμοτ μεσπάσαι με μανϋμεσπα σόποτ Pirani και Penning, σα οποία φπηςιμοποιοόνσαι για ση μέσπηςη σοτ μέςοτ κενοό και σοτ τπεπτχηλοό κενοό ανσίςσοιφα. σα πλαίςια ατσήρ σηρ διδακσοπικήρ διασπιβήρ ππαγμασοποιήθηκε επιςκετή σηρ σοτπμπομοπιακήρ ανσλίαρ απϋ σον τποχήυιο διδάκσοπα καθύρ επίςηρ και πποςθήκη ενϋρ ειδικοό υίλσποτ ζεϋλιθοτ για σην απουτγή σηρ μϋλτνςηρ σοτ θαλάμοτ κενοό απϋ σα λάδια σηρ μηφανικήρ ανσλίαρ. Η κευαλή ιονσοβολήρ ποτ φπηςιμοποιήθηκε είναι σόποτ μάγνησπον. Είναι τδπϋχτκση, κασαςκεταςμένη απϋ φαλκϋ και με διάμεσπο 40 mm. Ατσή ελέγφεσαι απϋ ένα σπουοδοσικϋ τχηλήρ ςτφνϋσησαρ (r.f.), σόποτ PFG 300 RF σηρ εσαιπείαρ Hüttinger, σο οποίο λεισοτπγεί ςε ςτφνϋσησερ ςσην πεπιοφή σψν παδιοκτμάσψν. Μεσαξό σοτ σπουοδοσικοό και σηρ κευαλήρ ιονσοβολήρ παπεμβάλλεσαι ειδικϋ κόκλψμα, σο οποίο αποσελείσαι απϋ πτθμιζϋμενερ επαγψγέρ και φψπησικϋσησερ, και φπηςιμοποιείσαι για σην πποςαπμογή σηρ εμπέδηςηρ σηρ κευαλήρ ιονσοβολήρ ς ατσή σηρ r.f. πηγήρ. Ο υοπέαρ σοτ τποςσπύμασορ βπίςκεσαι ςε πτθμιζϋμενερ θέςειρ 3 με 6 cm μακπιά απϋ ση πηγή ιονσοβολήρ και κασά ση διάπκεια σηρ απϋθεςηρ η θεπμοκπαςία σοτ δεν ξεπεπνά σοτρ 100 ο C, ανάλογα βέβαια και με σον φπϋνο απϋθεςηρ. Ο πτθμϋρ απϋθεςηρ σηρ κευαλήρ μεσπάσαι με ση βοήθεια ενϋρ μεσπησικοό πάφοτρ Inficon XTM/2, σοτ οποίοτ η απφή λεισοτπγίαρ βαςίζεσαι ςσο πιεζοηλεκσπικϋ υαινϋμενο. Σο ςόςσημα αποσελείσαι απϋ έναν εξψσεπικϋ ηλεκσπονικϋ ελεγκσή και απϋ μια κευαλή ποτ υέπει έναν κπόςσαλλο φαλαζία και ποτ σοποθεσείσαι δίπλα απϋ σον υοπέα σοτ τποςσπύμασορ. Η απϋθεςη τλικοό πάνψ ςσον κπόςσαλλο αλλάζει ση ςτφνϋσησα ςτνσονιςμοό σοτ και η αλλαγή ατσή ανιφνεόεσαι απϋ σα κτκλύμασα σοτ ηλεκσπονικοό ελεγκσή. Με σον σπϋπο ατσϋ έφοτμε μια έμμεςη μέσπηςη σοτ πάφοτρ. Η απφική ένδειξη σοτ 38

71 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ οπγάνοτ βαθμονομείσαι με ση βοήθεια σηρ μεθϋδοτ ανακλαςιμεσπίαρ ακσίνψν-φ και λαμβάνονσαρ τπϋχη και σο φπϋνο σηρ απϋθεςηρ μποποόμε να έφοτμε σην ππαγμασική σιμή σοτ πτθμοό απϋθεςηρ ύζηημα επικάλςτηρ ιονηοβολήρ μέζος κενού Για σην ανάπστξη σψν τμενίψν Ni, με σην οξείδψςη σψν οποίψν πποήλθαν σα μονοςσπψμασικά τμένια ΝiO, φπηςιμοποιήθηκε η σεφνική σηρ d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ ςε εμποπική ςτςκετή επιςσπύςεψν σηρ εσαιπείαρ Balzers. Η ίδια ςτςκετή φπηςιμοποιήθηκε και για σην ανάπστξη σψν τμενίψν SiO x, με ση μέθοδο reactive ιονσοβολήρ. σην Εικϋνα 2.2 υαίνεσαι η ςτςκετή επικάλτχηρ d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ, σόποτ SCD 040 B σοτ οίκοτ Balzers, η οποία βπίςκεσαι ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ. O θάλαμορ κενοό έφει σποποποιηθεί απϋ ατσϋν ποτ διέθεσε η ςτςκετή εκ κασαςκετήρ και αποσελείσαι κασά σο ήμιςτ απϋ ανοξείδψσο φάλτβα και κασά σο δεόσεπο ήμιςτ απϋ γταλί. Η σποποποίηςη σηρ ςτςκετήρ έγινε ςε ςτνεπγαςία με σον τποχήυιο διδάκσοπα κ.. Γπαμμασικϋποτλο και ο ςκοπϋρ ατσήρ ήσαν : α) Η επίσετξη τχηλοό κενοό και β) Η κασαςκετή θεπμαινϋμενοτ τποςσπύμασορ για σην απϋθεςη με σην σεφνική σηρ ιονσοβολήρ τπϋ τχηλή θεπμοκπαςία τποςσπύμασορ, με ςσϋφο σην ανάπστξη νανοκπτςσάλλψν, θέμα ποτ αποσελεί μέπορ σηρ διδακσοπικήρ διασπιβήρ σοτ κ. Γπαμμασικϋποτλοτ. Οι υλάνσζερ ποτ διαθέσει είναι τχηλοό κενοό και ςυπαγίζοτν με ση φπήςη VITON. Ο θάλαμορ κενοό ανσλείσαι απϋ μια ςσποβιλομοπιακή ανσλία σόποτ Turbovac 50, σηρ εσαιπείαρ Leybold Heraus και τποςσηπίζεσαι απϋ μια μηφανική πεπιςσπουική ανσλία σόποτ DUO 016 B σηρ εσαιπείαρ Pfeiffer. Σο ςόςσημα ατσϋ έφει ελάφιςση βαςική πίεςη 3 x 10-5 mbars. Πάνψ ςσον θάλαμο κενοό έφει επίςηρ πποςαπμοςσεί ειδική μικπομεσπική βαλβίδα, η οποία φπηςιμοποιήθηκε για σην ειςαγψγή αέπα ςσο 39

72 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ θάλαμο, με ςκοπϋ σην ευαπμογή σηρ μεθϋδοτ reactive ιονσοβολήρ για σην ανάπστξη σψν τμενίψν SiO x. Η κευαλή ιονσοβολήρ ποτ διαθέσει είναι σόποτ μάγνησπον και σπουοδοσείσαι κασά βοόληςη είσε απϋ εςψσεπικϋ είσε απϋ εξψσεπικϋ d.c. σπουοδοσικϋ. Ο πτθμϋρ εναπϋθεςηρ σηρ ςτςκετήρ βαθμονομείσαι με ση βοήθεια μεσπήςεψν ανακλαςιμεσπίαρ ακσίνψν Φ. Σο τπϋςσπψμα ϋποτ σοποθεσοόνσαι σα δείγμασα βπίςκεσαι πεπίποτ 30 mm μακπιά απϋ σον ςσϋφο και η απϋθεςη ςσα πλαίςια σηρ ςτγκεκπιμένηρ επγαςίαρ έγινε ςε θεπμοκπαςία πεπιβάλλονσορ. Εικϋνα 2.2 H ςτςκετή d.c. μάγνησπον ιονσοβολήρ, σόποτ SCD 040 σοτ οίκοτ Balzers ποτ φπηςιμοποιείσαι για επικαλόχειρ. Η ςτςκετή έφει σποποποιηθεί κασάλληλα για σην επίσετξη κενοό σηρ σάξηρ σψν 10-5 mbars. 40

73 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ 2.3 Πειπαμαηικέρ ηεσνικέρ σαπακηηπιζμού Πεπίθλαζη ακηίνυν-υ (XRD) Με σην σεφνική σηρ πεπιθλαςιμεσπίαρ ακσίνψν-φ (X-Ray Diffractometry - XRD) είμαςσε ςε θέςη να μελεσήςοτμε σην κπτςσαλλογπαυική δομή σηρ όληρ. σην Εικϋνα 2.3 υαίνεσαι: (α) ε ςφημασική αναπαπάςσαςη η σοπολογία ενϋρ πεπιθλαςίμεσποτ. Η ακσινοβολία παπάγεσαι απϋ ένα κανϋνι ακσίνψν Φ, μονοφπψμασίζεσαι κασάλληλα με ση βοήθεια υίλσπψν ή ενϋρ μονοφπψμάσοπα και ςση ςτνέφεια πποςπίπσει ςσο δείγμα. Σο δείγμα μποπεί να είναι ςκϋνη ενϋρ τλικοό, σοποθεσημένη κασάλληλα για ση ςτγκεκπιμένη μέσπηςη, ςτμπαγέρ τλικϋ ή λεπσϋ τμένιο αναπστγμένο κασάλληλα ςε κάποιο τπϋςσπψμα ποτ ςσεπεύνεσαι κασάλληλα ςε μία γψνιομεσπική σπάπεζα. ση ςτνέφεια, η ακσινοβολία ποτ πεπιθλάσαι απϋ σα κπτςσαλλογπαυικά επίπεδα σοτ δείγμασορ ανιφνεόεσαι απϋ έναν αιςθησήπα. Μέγιςσο σηρ πεπιθλύμενηρ ακσινοβολίαρ παπασηπείσαι ςε εκείνη ση γψνία θ για σην οποία ικανοποιείσαι η εξίςψςη Bragg [3]: ϋποτ n είναι ακέπαιορ απιθμϋρ, λ σο μήκορ κόμασορ σηρ ακσινοβολίαρ-φ, d hkl η απϋςσαςη μεσαξό δόο κπτςσαλλογπαυικύν επιπέδψν και θ η γψνία μεσαξό σοτ επιπέδοτ σοτ δείγμασορ και σηρ πποςπίπσοτςαρ δέςμηρ. Ο σόπορ σοτ γψνιομέσποτ ποτ υαίνεσαι ςσο ςφήμα ονομάζεσαι Bragg Brentano [3] κι έφει ψρ φαπακσηπιςσικϋ σην κάθεση σοπολογία σψν εξαπσημάσψν σοτ. (β) Η υψσογπαυία σοτ πεπιθλαςίμεσποτ σόποτ Berthold, σο οποίο βπίςκεσαι ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ και φπηςιμοποιήθηκε για ση διεξαγψγή σψν πειπαμάσψν δομικοό φαπακσηπιςμοό σψν δειγμάσψν. Ο σόπορ ατσϋρ σοτ πεπιθλαςίμεσποτ έφει σην ίδια απφή λεισοτπγίαρ με σον σόπο Bragg Brentano, μϋνο ποτ έφει 41

74 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ οπιζϋνσια σοπολογία εξαπσημάσψν [4,5]. Η παπαγψγή ακσίνψν-φ γίνεσαι ςτνήθψρ με σην βοήθεια λτφνίαρ Cu πολό λεπσήρ εςσίαςηρ (very fine focus) η οποία σπουοδοσείσαι απϋ σπουοδοσικϋ τχηλήρ σάςηρ Siemens, τπϋ σάςη 40 kv και πεόμα 30mA. H ακσινοβολία-φ ποτ παπάγεσαι απϋ ση λτφνία Cu, μονοφπψμασίζεσαι με υόλα Νi και Co, κι εξέπφεσαι απϋ σο κανϋνι με μήκορ κόμασορ nm (εκπομπή Κα). (α) (β) Εικϋνα 2.3 (α) φημασική απεικϋνιςη σηρ γεψμεσπίαρ ενϋρ πεπιθλαςίμεσποτ. Με κϋκκινο αναπαπιςσάσαι σο δείγμα ππορ μέσπηςη και με μπλε ο αιςθησήπαρ μέσπηςηρ, (β) Υψσογπαυία πεπιθλαςίμεσποτ κϋνεορ σόποτ Berthold. σην υψσογπαυία είναι οπασά: (a) σο κανϋνι ακσίνψν-φ, (b) η γψνιομεσπική σπάπεζα και (c) ο ανιφνετσήρ ακσινύν-φ σόποτ Geiger-Müller. 42

75 Έληαζε (ασζ. κολάδες) ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ Η βαθμονϋμηςη σοτ πεπιθλαςίμεσποτ ατσοό έγινε με ση βοήθεια κασάλληλοτ ππϋστποτ δείγμασορ αναυοπάρ (Εικϋνα 2.4). Οι πολό λεπσέρ κάθεσερ γπαμμέρ ποτ εμυανίζονσαι ςσο διάγπαμμα ανά σακσά διαςσήμασα είναι γπαμμέρ αναυοπάρ ποτ παπάγονσαι απϋ ειδικϋ μηφανιςμϋ ςσο γψνιϋμεσπο σοτ πεπιθλαςίμεσποτ. Με ατσϋ σον σπϋπο είναι ευικσή η ςτνεφήρ επαλήθετςη σηρ θέςηρ σοτ γψνιομέσποτ ψρ ππορ ση θέςη αναυοπάρ. Οι γψνίερ σψν κοπτυύν πεπίθλαςηρ ποτ πποέκτχαν απϋ ση μέσπηςη σοτ δείγμασορ ςτγκπίθηκαν με ατσέρ σηρ αναυοπάρ ποτ παπείφε η εσαιπία Phillips [6]. Απϋ μεσπήςειρ ποτ έγιναν βπέθηκε ϋσι σο γψνιϋμεσπο έφει ακπίβεια σηρ σάξηρ σψν 2θ = 0.05 ο. Εικϋνα 2.4 Διάγπαμμα πεπίθλαςηρ ακσίνψν-φ, για σο τπάπφον ςσο επγαςσήπιο ππϋστπο Si απϋ σην ASTM, ποτ φπηςιμοποιήθηκε για σην βαθμονϋμηςη σοτ γψνιομέσποτ σηρ ςτςκετήρ. Η ςόγκπιςη σψν μεσποόμενψν γψνιύν πεπίθλαςηρ για σην βαθμονϋμηςη σοτ γψνιομέσποτ, γίνεσαι με σιρ γψνίερ πεπίθλαςηρ απϋ σο ππϋστπο σηρ ASTM100 [6]. 43

76 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ Μεηπήζειρ ανάκλαζηρ ακηίνυν-υ (XRR) Η σεφνική σηρ ανακλαςιμεσπίαρ ακσίνψν-φ (Φ-Ray Reflectometry - XRR), για σην οποία έφει επικπασήςει επίςηρ και ο ϋπορ πεπίθλαςη ακσίνψν-φ μικπύν γψνιύν (Small Angle XRD), μαρ παπέφει ση δτνασϋσησα πποςδιοπιςμοό δομικύν φαπακσηπιςσικύν ενϋρ λεπσοό τμενίοτ, ϋπψρ είναι σο πάφορ σοτ και η επιυανειακή σοτ σπαφόσησα. Η σελετσαία, μάλιςσα, μποπεί να πποςδιοπιςσεί ϋφι μϋνο ποιοσικά αλλά και ποςοσικά με ση φπήςη κασάλληλοτ λογιςμικοό. O δομικϋρ φαπακσηπιςμϋρ σψν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO, καθύρ επίςηρ και ο πποςδιοπιςμϋρ σοτ πάφοτρ σψν τμενίψν Cu 2O, CuO, NiO και SiO x με σην XRR μέθοδο, ππαγμασοποιήθηκε εν μέπει ςσο Επγαςσήπιο Τλικύν Τχηλήρ Σεφνολογίαρ με ση βοήθεια σοτ πεπιθλαςίμεσποτ σόποτ Berthold κϋνεψρ ποτ παποτςιάςσηκε παπαπάνψ (Εικϋνα 2.3 (β)) και εν μέπει με ση βοήθεια ενϋρ πεπιθλαςίμεσποτ Phillips PW3020, ςε γεψμεσπία Bragg- Brentano, με πηγή ακσινοβολίαρ CuKα (λ = Å) και ςφιςμή πηγήρ 1/32 ο. σο πεπιθλαςίμεσπο Phillips PW3020, η ακσινοβολία Κβ αυαιπείσαι απϋ σο υάςμα με ση βοήθεια κασάλληλοτ μονοφπψμάσοπα πποςαπσημένοτ ςση πηγή σηρ ακσινοβολίαρ. Ππιν απϋ κάθε μέσπηςη XRR γινϋσαν μια 2θ και μια ψ ςάπψςη για σην ετθτγπάμμιςη σοτ ςτςσήμασορ [7]. Σα πειπαμασικά υάςμασα ποτ πποέκτχαν απϋ σα δείγμασα εξομοιύθηκαν με ση βοήθεια σοτ ελεόθεποτ λογιςμικοό GenX [8], μέςψ σοτ οποίοτ έγινε ευικσϋρ ο πποςδιοπιςμϋρ σοτ πάφοτρ σψν ςσπψμάσψν Ni και NiO, καθύρ επίςηρ και ο πποςδιοπιςμϋρ σηρ σπαφόσησάρ σοτρ. Η ςτςκετή Phillips PW3020 βπίςκεσαι ςσο Department of Physics and Astronomy, Ångström Laboratory, Uppsala University και οι μεσπήςειρ XRR ϋπψρ επίςηρ και οι εξομοιύςειρ σψν υαςμάσψν έγιναν απϋ σον τποχήυιο διδάκσοπά κασά ση διάπκεια σηρ επετνησικήρ σοτ επγαςίαρ ςσο Ångström Laboratory, με σίσλο: Growth of thin 44

77 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ film structures and magnetic characterization, ςσα πλαίςια σοτ ππογπάμμασορ Erasmus Placements Ηλεκηπονική μικποζκοπία διεπσόμενηρ δέζμηρ (ΣΔΜ) ε ένα ηλεκσπονικϋ μικποςκϋπιο διεπφϋμενηρ δέςμηρ (Transmission Electron Microscope - TEM) η δέςμη σψν ηλεκσπονίψν παπάγεσαι απϋ ένα ηλεκσπονικϋ πτποβϋλο θεπμιονικήρ εκπομπήρ, σο οποίο λεισοτπγεί ςσην οτςία ϋπψρ μία λτφνία υψσιςμοό ςε ένα οπσικϋ μικποςκϋπιο. σην απλοόςσεπη πεπίπσψςη είναι ένα νήμα βολυπαμίοτ (κάθοδορ) ςε ςφήμα υοτπκέσαρ, σο οποίο βπίςκεσαι ςε απνησική σάςη ψρ ππορ σην άνοδο. Η σελετσαία βπίςκεσαι κάσψ απϋ ση διάσαξη σοτ ηλεκσπονικοό πτποβϋλοτ και είναι ηλεκσπικά γειψμένη δημιοτπγύνσαρ έσςι μία θεσική έλξη ςσα απνησικά υοπσιςμένα ηλεκσπϋνια, σα οποία επισαφόνονσαι μέςψ μιαρ μικπήρ οπήρ ςσην άνοδο. Ο ςτμπτκνψσήρ υακϋρ ςσο ΣΕΜ δπα ϋπψρ ο ςτγκενσπψσικϋρ υακϋρ ςε ένα οπσικϋ μικποςκϋπιο. τγκενσπύνει σα ηλεκσπϋνια με σπϋπο ύςσε να υψσιςσεί μϋνο η πεπιοφή ποτ είναι ππορ εξέσαςη. Ο ανσικειμενικϋρ υακϋρ φπηςιμεόει κτπίψρ ςσo να ςτγκενσπύνει και να μεγεθόνει απφικά σην εικϋνα. Η βάςη σοτ δείγμασορ ειςάγεσαι μέςα ςσον ανσικειμενικϋ υακϋ για οπσικοόρ λϋγοτρ κι έναρ κπτοςσάσηρ βπίςκεσαι δίπλα ς ατσϋν για να απουετφθεί η μϋλτνςη. Αποσελείσαι απϋ μία λεπσή πάβδο φαλκοό ςε θεπμοκπαςία τγποό αζύσοτ, έσςι ύςσε να ςτλλέγει σα ςψμασίδια ποτ μολόνοτν σον θάλαμο. Ένα ανσικειμενικϋ διάυπαγμα φπηςιμοποιείσαι για να ενιςφόει σην ανσίθεςη σοτ δείγμασορ. Ο ενδιάμεςορ υακϋρ φπηςιμοποιείσαι για μεγεθόνει σην εικϋνα ποτ πποέπφεσαι απϋ σον ανσικειμενικϋ υακϋ. Σελικά, οι υακοί πποβολήρ μεγεθόνοτν πεπαισέπψ σην εικϋνα ποτ πποέπφεσαι απϋ σον ενδιάμεςο υακϋ και ση πποβάλλοτν πάνψ ςσην υθοπίζοτςα οθϋνη [9]. Όλα σα παπαπάνψ δείφνονσαι ςφημασικά ςσην 45

78 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ Εικϋνα 2.5, ϋποτ (α) παποτςιάζεσαι ένα απλϋ διάγπαμμα σοτ μικποςκοπίοτ ϋποτ υαίνεσαι και η διαδπομή σηρ δέςμηρ σψν ηλεκσπονίψν και (β) παποτςιάζεσαι ένα πιο ςόνθεσο διάγπαμμα με ϋλα σα εξαπσήμασα ποτ διαθέσει ένα μικποςκϋπιο ΣΕΜ. Οι παπασηπήςειρ ςση δική μαρ πεπίπσψςη, σψν πολτςσπψμασικύν τμενίψν Ni/NiO ϋπψρ επίςηρ και σψν τμενίψν SiO x, έγιναν με ση βοήθεια ενϋρ JEOL 2011 ΣΕΜ, με σάςη λεισοτπγίαρ 200 kv και με ανάλτςη σηρ σάξηρ σψν 0.23 nm. Σο ϋπγανο ατσϋ βπίςκεσαι ςσο E. K. E. T. A. (Εθνικϋ Κένσπο Έπετναρ & Σεφνολογικήρ Ανάπστξηρ) Θεςςαλονίκηρ και ο φειπιςμϋρ σοτ έγινε απϋ σον ΕΛΕ Δπ. Δελημήση Ανδπέα. Η παπασήπηςη σψν δειγμάσψν έγινε ςε κάθεση σομή (Cross Section TEM - ΦΣΕΜ), αυοό ππύσα ατσά πποεσοιμάςσηκαν κασάλληλα, απφικά με μεθϋδοτρ μηφανικήρ λείανςηρ και κασϋπιν με ελαυπό ιονσικϋ βομβαπδιςμϋ Αr. σο ςτγκεκπιμένο μικποςκϋπιο είφε πποςαπμοςσεί, επίςηρ, έναρ ανιφνετσήρ υαςμασοςκοπίαρ ακσίνψν-φ (Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy EDS ή και EDX) για σην ςσοιφειακή ανάλτςη σψν δειγμάσψν. Σα ποιοσικά και ημιποςοσικά δεδομένα EDS ςτλλέφθηκαν και επεξεπγάςσηκαν με σο κασάλληλο λογιςμικϋ INCA microanalysis [10]. Μια επιπλέον μέθοδορ ποτ φπηςιμοποιήθηκε είναι ατσή σηρ ανάλτςηρ γεψμεσπικήρ υάςηρ (Geometric Phase Analysis - GPA). H μέθοδορ ατσή φπηςιμοποιεί σιρ ςτνιςσύςερ Fourier μιαρ υψσογπαυίαρ ΣΕΜ τχηλήρ ανάλτςηρ (High Resolution TEM HRTEM), ϋπψρ ατσέρ απεικονίζονσαι ςσον ανσίςσπουο φύπο, και είναι πολό εταίςθηση ςσιρ μικπέρ διαυοπέρ ποτ παποτςιάζονσαι ςσιρ αποςσάςειρ μεσαξό σψν κπτςσαλλογπαυικύν επιπέδψν σοτ πλέγμασορ ςε HRTEM εικϋνερ ενϋρ νανοκπτςσάλλοτ. Η μέθοδορ ατσή παπέφει μια σοπογπαυία σψν παπαμενοτςύν σάςεψν μέςα ςε 46

79 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ έναν νανοκϋκκο σοτ τλικοό και δείφνει σον σπϋπο ποτ κασανέμονσαι ατσέρ μέςα ςσον κπόςσαλλο [11]. (α) Πεγή Φφηός TEM (β) Σσκπσθλφηής Φαθός Δείγκα Αληηθεηκεληθός Φαθός Φαθός Προβοιής Φζορίδοσζα οζόλε Εικϋνα 2.5 (α) Αυαιπεσικϋ διάγπαμμα λεισοτπγίαρ σοτ μικποςκοπίοτ ΣΕΜ ϋποτ υαίνεσαι και η διαδπομή σηρ δέςμηρ σψν ηλεκσπονίψν και (β) όνθεσο διάγπαμμα σηρ σοπολογίαρ σψν εξαπσημάσψν ποτ διαθέσει σο μικποςκϋπιο ΣΕΜ [9]. Η βαςική ιδέα δηλαδή, ςσηπίζεσαι ςση μέσπηςη σψν αποςσάςεψν σψν κπτςσαλλογπαυικύν επιπέδψν ςε έναν κϋκκο, ςσον οποίο έφοτμε εςσιάςει με σο μικποςκϋπιο. Απϋ σα δεδομένα ποτ πποκόπσοτν, γίνεσαι ςση ςτνέφεια ένα διάγπαμμα σψν d hkl ςτναπσήςει σηρ θέςεψρ μέςα ςσον κϋκκο. Απϋ σο διάγπαμμα παπασηποόμε μια ατξομειοόμενη ςτνάπσηςη πεπί μιαρ μέςηρ σιμήρ d hkl. Η μέςη σιμή ατσή μποπεί να είναι διαυοπεσική απϋ ατσή σοτ ςτμπαγοόρ τλικοό, διϋσι μποπεί να τπάπφει μϋνιμη απνησική ή και θεσική 47

80 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ παπαμϋπυψςη με διακτμάνςειρ. Αν δεν τπάπφει καθϋλοτ εςψσεπική παπαμϋπυψςη μέςα ςσο πλέγμα, σϋσε λογικά πεπιμένοτμε η εκασοςσιαία παπαμϋπυψςη να είναι μηδενική Μαγνηηομεηπία ςπεπαγώγιμηρ ζςζκεςήρ κβανηικήρ ζςμβολήρ (SQUID) σην Εικϋνα 2.6 υαίνεσαι η απφή λεισοτπγίαρ ενϋρ μαγνησϋμεσποτ τπεπαγύγιμηρ ςτςκετήρ κβανσικήρ ςτμβολήρ (Superconducting Quantum Interference Device - SQUID). Σο εξψσεπικϋ μαγνησικϋ πεδίο Η ευαπμϋζεσαι με ση βοήθεια ενϋρ τπεπαγύγιμοτ μαγνήση. Ο τπεπαγύγιμορ βπϋφορ μέσπηςηρ (ατσϋρ ποτ υαίνεσαι ςσην Εικϋνα 2.6 (α)) ο οποίορ εκσίθεσαι ςσο ππορ μέσπηςη μαγνησικϋ πεδίο ςτνδέεσαι με ένα σόλιγμα ποτ είναι ςτζετγμένο μαγνησικά με σο SQUID (ο αναγνύςσηρ παπαπέμπεσαι ςσην αναυοπά [12] για μια ειςαγψγή ςφεσική με ση λεισοτπγία σοτ SQUID). ε κπτογονικέρ θεπμοκπαςίερ, ο βπϋφορ και σο σόλιγμα σοτ ςήμασορ ςφημασίζοτν ένα dc επαγψγικϋ πηνίο. Μια εξψσεπική ποή ποτ ευαπμϋζεσαι ςσο πηνίο θα δημιοτπγήςει ένα πεόμα ςσο βπϋφο σέσοιο ποτ να κπασάει ση ςτνιςσύμενη μαγνησική ποή ςσο βπϋφο ςσαθεπή, ακϋμη και ςε dc μαγνησικά πεδία. Σο σόλιγμα σοτ ςήμασορ απλύρ μεγεθόνει ση μαγνησική ποή ποτ ευαπμϋζεσαι ςσο SQUID. Tο SQUID πολύνεσαι μαγνησικά ςε ένα ςημείο μέγιςσηρ εταιςθηςίαρ. Ένα μικπϋ ac μαγνησικϋ πεδίο με ςτφνϋσησα απϋ 100 μέφπι 500 khz τπεπσίθεσαι ςσο πεδίο πϋλψςηρ. Η έξοδορ σοτ SQUID είναι ςσην οτςία ένα ςήμα διαμοπυψμένοτ πλάσοτρ με απομακπτςμένο υοπέα (Suppressed Carrier Amplitude Modulated Signal), ϋποτ σο πλάσορ σοτ τποδεικνόει σην αλλαγή σοτ μαγνησικοό πεδίοτ απϋ σο ςημείο πϋλψςηρ, ενύ η υάςη σην πολικϋσησα σηρ αλλαγήρ ατσήρ. Σο ςήμα εξϋδοτ ενιςφόεσαι και εν ςτνεφεία 48

81 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ αποδιαμοπυύνεσαι ςση βαςική μπάνσα. Σο dc ςήμα εξϋδοτ ενιςφόεσαι και σπουοδοσείσαι μέςψ μιαρ ανσίςσαςηρ ςε ένα πηνίο ανάδπαςηρ σο οποίο είναι μαγνησικά ςτζετγμένο με σο SQUID. To πεόμα ποτ διαππέει ατσϋ σο πηνίο δημιοτπγεί ένα μαγνησικϋ πεδίο ανσίθεσο με ατσϋ ποτ ευαπμϋζεσαι ςσο SQUID. Μ ατσϋ σον σπϋπο σο ςημείο λεισοτπγίαρ σοτ SQUID κπασιέσαι πολό κονσά ςσο απφικϋ ςημείο πϋλψςηρ. Σο πηνίο μέσπηςηρ, σο πηνίο ςήμασορ, σο SQUID, σο πηνίο ανάδπαςηρ και η ανσίςσαςη ανάδπαςηρ κπασιοόνσαι ςε κπτογονική θεπμοκπαςία κι ϋλα, εκσϋρ απϋ σο πηνίο μέσπηςηρ, είναι μαγνησικά μονψμένα. Σο τπϋλοιπο κόκλψμα λεισοτπγεί ςε θεπμοκπαςία πεπιβάλλονσορ [13]. Εικϋνα 2.6: φημασικϋ διάγπαμμα σοτ μαγνησομέσποτ SQUID: (α) φήμα ϋποτ υαίνεσαι η σοπολογία σψν πηνίψν μέσπηςηρ καθύρ επίςηρ και η θέςη σοτ δείγμασορ. (β) Αυαιπεσικϋ διάγπαμμα σψν ηλεκσπονικύν μεσασποπήρ σηρ μαγνησικήρ ποήρ ςε ςήμα σάςηρ. Η καπδιά σοτ ςτςσήμασορ ατσοό είναι η επαυή Josephson [14]. Οι μαγνησικοί βπϋφοι σψν πολτςσπψμασικύν λεπσύν τμενίψν Ni/NiO μεσπήθηκαν ςε διαυοπεσικέρ θεπμοκπαςίερ με ση βοήθεια ενϋρ μαγνησομέσποτ SQUID MPMS XL 7. Σο ςτγκεκπιμένο μονσέλο SQUID μποπεί να κάνει έλεγφο σηρ θεπμοκπαςίαρ σοτ δείγμασορ ςση πεπιοφή σψν οκ με πτθμϋ μεσαβολήρ σηρ θεπμοκπαςίαρ απϋ μέφπι 10 ο Κ/min. Σο μαγνησικϋ πεδίο πϋλψςηρ σοτ δείγμασορ παπάγεσαι απϋ τπεπαγύγιμο μαγνήση και η σιμή σοτ υθάνει σα ±7 Σ. Η εταιςθηςία σοτ ςτγκεκπιμένοτ 49

82 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ μαγνησϋμεσποτ είναι μικπϋσεπη απϋ 10-8 emu ή Bohr magnetons. Σα μαγνησικά πολτςσπψμασικά τμένια Ni/NiO μεσπήθηκαν με σην Reciprocating Sample Oscillation - RSO σεφνική, κασά σην οποία σο δείγμα σαλανσεόεσαι μϋλιρ μεπικά εκασοςσά σοτ μέσποτ (απϋ 0.5 μέφπι 50 mm) και με ςτφνϋσησα ποτ μποπεί να βπίςκεσαι μεσαξό σψν σιμύν 0.5 και 4 Hz. Η ςτφνϋσησα σαλάνσψςηρ σοτ δείγμασορ αποσελεί και ση ςτφνϋσησα διαμϋπυψςηρ σηρ σάςηρ εξϋδοτ σοτ SQUID, η οποία ςση ςτνέφεια αποδιαμοπυύνεσαι με αναυοπά ατσή και σο πποκόπσον φπήςιμο ςήμα απαλλάςςεσαι μ ατσή σην lock-in σεφνική απϋ σο θϋπτβο. Έσςι επιστγφάνεσαι εταιςθηςία σηρ σάξηρ σψν 1 x 10-8 emu για πεδία μεσαξό σψν 0 και 2.5 Σ, και 6 x 10-7 emu για πεδία μεσαξό σψν 2.5 και 7 Σ [14]. Η ςτςκετή ατσή βπίςκεσαι ςσο Ångström Laboratory, Uppsala University και οι μεσπήςειρ σψν δειγμάσψν έγιναν απϋ σον τποχήυιο διδάκσοπά κασά ση διάπκεια σηρ επετνησικήρ σοτ επγαςίαρ ςσο Ångström Laboratory, με σίσλο: Growth of thin film structures and magnetic characterization, ςσα πλαίςια σοτ ππογπάμμασορ Erasmus Placements Μαγνηηομεηπία μαγνηηο-οπηικού θαινομένος Kerr (MOKE) Η ππύση σεφνική για σον μαγνησικϋ φαπακσηπιςμϋ σψν πολτςσπψμασικύν λεπσύν τμενίψν ποτ αναπσόφθηκαν ήσαν ατσή ποτ βαςίζεσαι ςσο μαγνησο-οπσικϋ υαινϋμενο Kerr (Magneto-Optic Kerr Effect - MOKE). Σο βαςικϋσεπο πλεονέκσημα ατσήρ σηρ σεφνικήρ είναι ϋσι παπέφει γπήγοπερ και πολό καλήρ ποιϋσησαρ μεσπήςειρ μαγνησικύν βπϋφψν. Απϋ ση μοπυή σψν βπϋφψν μποπεί κανείρ να εξάγει κανείρ πληπουοπίερ ςφεσικέρ με βαςικέρ μαγνησικέρ ιδιϋσησερ, ϋπψρ σο πεδίο κϋποτ σοτ τλικοό, σην τςσέπηςη ποτ πιθανϋν να παποτςιάζει ατσϋ και η παπαμένοτςα μαγνήσιςη 50

83 ΚΕΥΑΛΑΙΟ 2 ΣΕΦΝΙΚΕ ΑΝΑΠΣΤΞΗ - ΦΑΡΑΚΣΗΡΙΜΟΤ [15]. τνήθψρ, με σην σεφνική ΜΟΚΕ, η κασαγπαυή σψν βπϋφψν γίνεσαι με ατθαίπεσερ σιμέρ μαγνήσιςηρ για ετκολία, παπϋλα ατσά αξιϋπιςση βαθμονϋμηςη σηρ μαγνήσιςηρ μποπεί να γίνει με φπήςη δείγμασορ αναυοπάρ μϋνο ςε τμένια με πάφορ μικπϋσεπο απϋ σο βάθορ διείςδτςηρ σοτ υψσϋρ ςσο δείγμα (πεπίποτ 10 nm). Εικϋνα 2.7: φημασικϋ διάγπαμμα σοτ μαγνησομέσποτ ΜΟΚΕ. Αναπαπίςσανσαι ςφημασικά ο ηλεκσπομαγνήσηρ ποτ ελέγφεσαι απϋ κασάλληλα ηλεκσπονικά ιςφόορ, καθύρ επίςηρ και σο ςόςσημα μέσπηςηρ σηρ ςσπουήρ Kerr. 51