ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΟΥ Co ΓΙΑΝΝΑΡΑΚΗΣ ΓΙΑΝΝΗΣ

Transcript

1 ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Ο ΡΟΛΟΣ ΤΗΣ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗΣ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΣΤΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΠΟΚΡΙΣΗ ΤΟΥ Co ΓΙΑΝΝΑΡΑΚΗΣ ΓΙΑΝΝΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Ιούλιος 29

2 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΕΡΙΛΗΨΗ SUMMARY ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Η ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΝΙΣΟΤΡΟΠΙΑ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Co/Pt ΣΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Co/Pd ΣΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ ΤΟ ΚΡΑΜΑΤΑ Co-Pt ΚΑΙ Co-Pd Η ΚΑΤΑ ΣΤΡΩΣΕΙΣ ΚΡΑΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ-ΣΤΟΧΟΙ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Περίθλαση ακτίνων-χ (X-ray Diffraction-XRD) Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscope-SEM) Μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (Vibrating Sample Magnetometer-VSM) ΑΝΑΦΟΡΕΣ 1 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΔΟΜΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΦΑΣΜΑ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ Το φάσμα μικρών γωνιών Το φάσμα μεγάλων γωνιών ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ XRD ΜΕΓΕΘΟΣ ΚΟΚΚΩΝ ΑΠΟ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΔΟΜΙΚΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ

3 ΑΝΑΦΟΡΕΣ 2 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ VSM ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΑΝΑΦΟΡΕΣ 3 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα διπλωματική εργασία, στόχος ήταν η μελέτη της επίδρασης της κατά στρώσεις κραματοποίησης των συστατικών σε πολυστρωματικά συστήματα βασισμένα στο Co σε συνδυασμό με ευγενή μέταλλα. Ο συνδυασμός του Co με το Pd ή την Pt σε μορφή κράματος ή σε πολυστρωματική διαμόρφωση, συνθέτει μαγνητικά υλικά με σημαντικά μακροσκοπικά μαγνητικά χαρακτηριστικά όπως είναι οι ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης και η εμφάνιση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας. Σε μία προσπάθεια περαιτέρω διερεύνησης και βελτιστοποίησης των πολυστρωματικών υμενίων βασισμένων στο Co, μελετήθηκαν οι δομικές και μαγνητικές ιδιότητες των πολυστρωματικών υμενίων Co/Pt (ή Pd), όπου το ένα από τα δύο συστατικά έχει αντικατασταθεί από κράμα CoPt (ή CoPd). Το γεγονός αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μίας υβριδικής δομής ανάμεσα σε κράματα και συμβατικά πολυστρωματικά υμένια. Η κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών μέσα σε στην περίοδο διαμόρφωσης της πολυστρωματικής δομής οδηγεί αφ ενός στην διατήρηση υψηλού βαθμού κρυσταλλικότητας και αφ ετέρου στην ενίσχυση της ΚΜΑ και των μαγνητικών χαρακτηριστικών. Οι ιδιότητες αυτές είναι επιθυμητές για εφαρμογές μαγνητικής εγγραφής. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν σειρές δειγμάτων Pt m /Co n, Pt m /[Co x Pt 1-x ] n, [Co x Pt 1-x ] m /Co n, [Co x Pd 1-x ] m /Co n και Pd m /[Co x Pd 1-x ] n, τα οποία αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων σε σύστημα υπερυψηλού κενού πάνω σε υποστρώμα γυαλιού. Οι αριθμοί m, n των ατομικών επιπέδων κυμαίνονταν από 1 έως 11 ενώ ο αριθμός των επαναλήψεων της περιόδου N βρισκόταν στο εύρος , ανάλογα με το δείγμα. Η σύσταση του κράματος προοσδιορίστηκε με πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) βρέθηκε ότι η at.% συγκέντρωση του Co σε αυτό βρίσκεται στην περιοχή 33-7% για όλα τα δείγματα. Οι δομικές ιδιότητες των δειγμάτων μελετήθηκαν με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων Χ (XRD). Η περίοδος της Λ της πολυστρωματικής διαμόρφωσης και τα πάχη m, n των επιμέρους συστατικών, προσδιορίστηκαν πειραματικά από τις θέσεις των κορυφών στις μικρές και μεγάλες γωνίες του φάσματος περίθλασης ακτίνων-χ. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατήρηθηκε καλή πολυστρωματική διαμόρφωση και πολυκρυσταλλική ανάπτυξη με κύρια διεύθυνση τη <111>. Συνεπώς, τα δείγματα με κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών παρουσιάζουν ένα προφίλ σύστασης παρόμοιο με αυτό των συμβατικών πολυστρωματικών υμενίων αλλά με μεγάλο βαθμό ενδοδιάχυσης των συστατικών στην

5 περίπτωση πολύ λεπτών στρώσεων κραματοποιημένου μαγνητικού υλικού. Παρατηρήθηκε ότι όσο μεγαλώνουν τα πάχη των επιμέρους υλικών που συνιστούν το πολυστρωματικό υμένιο, τόσο βελτιώνεται και η ποιότητα της πολυστρωματικής διαμόρφωσης. Τέλος, με τη βοήθεια της σχέσης του Scherrer υπολογίστηκε το μέγεθος των κόκκων από τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-χ και βρέθηκε ότι τα δείγματα παρουσιάζουν νανοκρυσταλλικό χαρακτήρα. Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (VSM) στο θερμοκρασιακό εύρος 77-3 Κ με μέγιστο εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο έντασης 1.1 Tesla. Οι βρόχοι υστέρησης καταγράφηκαν σε δύο γεωμετρίες, παράλληλα και κάθετα στο επίπεδο του υμενίου. Τα δεδομένα κανονικοποιήθηκαν ως προς τον όγκο του μαγνητικού υλικού, όπου χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που προέκυψαν από την ανάλυση της περίθλασης ακτίνων-χ και των πειραμάτων με σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Παρατηρήθηκε η διαμόρφωση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας, η οποία ενισχύεται ακόμα περισσότερο στην περίπτωση καλής πολυστρωματικής διαμόρφωσης των δειγμάτων και οδηγεί σε βρόχους υστέρησης με λόγο τετραγωνικότητας (M r /M s ) κοντά στην μονάδα. Στη διπλωματική αυτή εργασία, πραγματοποιήθηκε ο συσχετισμός δομής μακροσκοπικών μαγνητικών χαρακτηριστικών για πολυστρωματικά υμένια με κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών. Συμπερασματικά, η κατά στρώσεις κραματοποίηση αποτελεί έναν ακόμα σημαντικό παράγοντα ρύθμισης και βελτιστοποίησης κρίσιμων ιδιοτήτων των υμενίων που θα τα καταστήσει κατάλληλα για τεχνολογικές εφαρμογές.

6 SUMMARY At the present Master Thesis, our purpose is to study of the role of intentional alloying in noble metal-cobalt multilayered systems. The combination of Co with Pd or Pt either in alloy or multilayer form yields significant tunable features mainly in the macroscopic magnetic behavior i.e. enhanced magnetization and perpendicular magnetic anisotropy. In an effort to thoroughly study and further exploit Co-based multilayers, we investigate the structural and magnetic properties of Co/Pt (or Pd) multilayers where one of the constituent materials is substituted by CoPt (or CoPd) alloy. Consequently, this leads to the formation of a hybrid structure in between alloys and the conventional two-element multilayers. The role of intentional alloying within the multilayer period, though it preserves high degree of crystallinity, it promotes stronger perpendicular magnetic anisotropy and enhanced magnetization features, that are highly plausible by the requests for magnetic recording applications. Α series of conventional Pt m /Co n samples as well as Pt m /[Co x Pt 1-x ] n, [Co x Pt 1-x ] m /Co n, [Co x Pd 1-x ] m /Co n and Pd m /[Co x Pd 1-x ] n samples were grown on glass substrates by e-beam evaporation under ultra high vacuum (UHV) conditions. The numbers m, n denote atomic planes per multilayer period and range between 1 and 11, while x is the at.% concentration of Co in the alloyed layers, which was determined with Scanning Electron Microscopy experiments and it was found to be from 33 to 7 at.%, depending on the sample. The number N of bilayer repetitions was in the range depending on the sample. The structural properties of the samples were studied via x-ray diffraction (XRD) using the CuKa radiation. The multilayer period Λ and the individual thicknesses m and n were experimentally verified by the positions of small and high-angle XRD peaks. In all cases a strong <111> texture is observed due to Pt underlayer while the existence of both small-angle and high-angle diffraction satellite reflections indicates high degree of crystallinity and multilayer stacking. Eventually, the structural features of multilayers with intentionally alloyed layers resemble the conventional multilayers comprising of two pure elements. However, in a sample comprising of only ~ 1 atomic layer of magnetic material (CoPd), multilayer periodicity degrades due to potential interdiffusion effects, as expected for such thin layers. Also it was observed that the increase of individual thicknesses of the two materials improves the sharpness and the intensity of reflections in the XRD spectra. Finally, with the help of the Scherrer s formula and the full width at half maximum of the solid

7 solution diffraction peaks in the high-angle XRD patterns, we were able to see that the samples present a nanocrystalline character. The magnetic characterization was performed at temperatures from 77 to 3K via vibrating sample magnetometry (VSM) with maximum exterior magnetic field 1.1 Tesla. The magnetic hysteresis loops were recorded in two geometries - parallel and perpendicular to the film plane. The data were normalized for the volume of Co (CoPt or CoPd in the case of intentionally alloyed multilayers) with input data resulted from the XRD and SEM analysis. We may see the unambiguous development of perpendicular magnetic anisotropy which becomes stronger in the case of the higher quality multilayer sample with squareness ratio close to unity. Therefore, the introduction of alloyed layers within a multilayer significantly tunes the PMA and results to systems with scalable magnetic features. The structural characteristics in hybrid structures combining intentional alloying with multilayer stacking were correlated with macroscopic magnetic behavior. The substitution of individual elemental layers with corresponding alloyed ones seems to be beneficiary if properly combined with relatively small layer thicknesses in order to allow interface effects to dominate over magnetic behavior. Thus, the intentional alloying of the magnetic layers gives an additional degree of freedom for tailoring and optimizing crucial properties of films for technological applications.

8 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Καθώς αυτή η διπλωματική εργασία φτάνει στο τέλος της, νιώθω την ανάγκη να ευχαριστήσω όλους όσους βοήθησαν και συνέβαλαν με οπουδήποτε τρόπο στην περάτωση της. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Μ. Αγγελακέρη για την ανάθεση του θέματος, την καθοδήγηση και την πολύτιμη βοήθεια που μου προσέφερε καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τα μέλη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, κ. Ο. Καλογήρου και κ. Κ. Ευθυμιάδη, για τις εύστοχες παρατηρήσεις και επισημάνσεις. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Κ. Συμεωνίδη, Σ. Μουρδικούδη καθώς και τον Θ. Γκίνη και την Αλεξανδρα Φραγκούλη για το εξαιρετικό κλίμα συνεργασίας και τη βοήθεια που μου παρείχαν καθ όλη τη διάρκεια της παραμονής μου στο εργαστήριο.

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1-ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το πεδίο της Επιστήμης των Υλικών περιλαμβάνει τη διερεύνηση των σχέσεων που υπάρχουν μεταξύ των δομών και των ιδιοτήτων των υλικών. Η επιστημονική και τεχνολογική έρευνα στο πεδίο αυτό υπόσχεται και έχει ήδη καταφέρει σε κάποιους τομείς νέες ριζοσπαστικές αλλαγές, που βρίσκουν τεράστιο πλήθος εφαρμογών στην καθημερινή πραγματικότητα. Ιδιαίτερη έμφαση έχει δοθεί τα τελευταία χρόνια στην ανάπτυξη νέων υλικών με ασυνήθιστη δομική σύνθεση και πρωτότυπο συνδυασμό ιδιοτήτων. Στη σημερινή εποχή όπου παράγεται καθημερινά ένας τεράστιος όγκος δεδομένων, έχει συντελεστεί μία επανάσταση στις τεχνολογίες πληροφοριών, που βρίσκουν ένα τεράστιο πλήθος εφαρμογών στην καθημερινή πραγματικότητα. Για τον λόγο αυτό έχει δοθεί μεγάλη βαρύτητα από πλήθος επιστημόνων και ερευνητικών ομάδων στην ανάπτυξη διατάξεων αποθήκευσης πληροφορίας που στις περισσότερες των περιπτώσεων βασίζονται σε αρχές μαγνητικής εγγραφής. Επομένως η ανάπτυξη πρωτότυπων μαγνητικών υλικών αποτελεί ένα ενεργό πεδίο μελέτης με πολύ μεγάλο εύρος. Σχήμα 1.1: Σύγχρονες εφαρμογές μαγνητικών υλικών στην τεχνολογία αποθήκευσης πληροφορίας. Οι εφαρμογές των μαγνητικών υλικών δεν περιορίζονται μόνο στις τεχνολογίες αποθήκευσης πληροφοριών. Καλύπτουν ένα πολύ τεράστιο εύρος τεχνολογικών πεδίων όπως είναι για παράδειγμα η ιατρική (μαγνητική τομογραφία, καταπολέμηση καρκινικών κυττάρων με νανοσωματίδια), η ηλεκτρονική, η αεροναυπηγική, η μικρομηχανική κ.α. Βρίσκουν εφαρμογή από πιστωτικές κάρτες και συστήματα ήχου, μέχρι αισθητήρες, ηλεκτροκινητήρες και μαγνητικά τρένα. Επιπροσθέτως, η σύγχρονη έρευνα έχει εστιάσει στη μείωση των Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 1

10 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» διαστάσεων των υλικών αυτών με αποτέλεσμα να μιλάμε για νανοδομημένα μαγνητικά υλικά, ή μαγνητικά υλικά χαμηλών διαστάσεων, στα οποία μία τουλάχιστον διάσταση είναι της τάξεως του νανομέτρου (nm). Τέτοια πρωτότυπα νανουλικά, εμφανίζουν ένα μεγάλο εύρος εξαιρετικά ενδιαφερόντων φαινομένων, όπως μαγνητισμό χαμηλών διαστάσεων, επαγόμενη μαγνήτιση σε ευγενή μέταλλα και γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση. Η διαχείριση και το «χτίσιμο» της ύλης άτομο προς άτομο, έχει δώσει νέες προοπτικές στην εξέλιξη των μαγνητικών υλικών με εξαιρετικά τεχνολογικά αποτελέσματα, όπως είναι για παράδειγμα η η τεράστια αύξηση πυκνότητας της πληροφορίας η οποίο μπορεί να αποθηκεύεται σε πολύ μικρό όγκο. Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας μελετήθηκαν μαγνητικά υμένια διαμορφωμένης δομής ή πολυστρωματικά υμένια (Compositionally Modulated Multilayers-CMM) τα οποία βρίσκονται στις μέρες μας στο επίκεντρο του ερευνητικού ενδιαφέροντος χάρη στις πολύ χρήσιμες τεχνολογικά ιδιότητές τους που οδήγησαν ή αναμένεται να οδηγήσουν σε νέες διατάξεις υψηλής τεχνολογίας. Τα υλικά αυτά, αποτελούν το αντικείμενο μελέτης ενός ταχύτατα αναπτυσσόμενου κλάδου της Επιστήμης των Υλικών και περιγράφονται αναλυτικά σε επόμενη ενότητα. 1.2 ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΝΝΟΙΕΣ Στην ενότητα αυτή, παρουσιάζονται μερικές βασικές έννοιες και ορολογίες που αφορούν τον μαγνητισμό και τα μαγνητικά υλικά. Οι έννοιες αυτές είναι χρήσιμες για την καλύτερη κατανόηση των ενοτήτων που ακολουθούν [1], [2]. Καταρχήν, η μαγνητική ροπή m σε έναν επίπεδο βρόχο με εμβαδόν a που διαρρέεται από ρεύμα Ι ονομάζεται ως το γινόμενο: m = Ian (1.1) όπου n το μοναδιαίο διάνυσμά κάθετο στο επίπεδο του βρόχου (σχήμα 1.2) Σχήμα 1.2: Σχηματική αναπαράσταση μαγνητικής ροπής m Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 2

11 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Το εξωτερικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ένταση μαγνητικού πεδίου και συμβολίζεται με H. Aν το μαγνητικό πεδίο δημιουργείται από ένα κυλινδρικό πηνίο (ή σωληνοειδές) που αποτελείται από Ν σπείρες μήκους l, χωρίς κενά μεταξύ τους, και οι οποίες διαρρέονται από ρεύμα έντασης I, τότε NI H = (1.2) l Οι μονάδες του H είναι στο SI είναι amperes ανά μέτρο (A/m). Η μαγνητική επαγωγή, ή πυκνότητα μαγνητικής ροής συμβολίζεται με Β και αναπαριστά το μέγεθος της έντασης του εσωτερικού πεδίου μέσα σε ένα τμήμα που εκτίθεται σε ένα πεδίο H. Οι μονάδες του Β στο SI είναι Tesla. Το Β και το Η είναι διανύσματα πεδίου, που χαρακτηρίζονται όχι μόνο από το μέτρο αλλά επίσης από τη διεύθυνση και τη φορά στο χώρο. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου και η πυκνότητα ροής συνδέονται σύμφωνα με την εξίσωση: B = μ H (1.3) Η παράμετρος μ ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητα και αποτελεί ιδιότητα του συγκεκριμένου μέσου, μέσω του οποίου διέρχεται το πεδίο Η και στο οποίο υπολογίζεται το Β. Η μαγνητική διαπερατότητα έχει διαστάσεις Wb/A-m ή Η/m (henries ανά μέτρο). Στο κενό ισχύει: B = μ H (1.4) όπου μ είναι η μαγνητική διαπερατότητα στο κενό, μία παγκόσμια σταθερά. Η παράμετρος B αναπαριστά την πυκνότητα ροής μέσα στο κενό. Αρκετές παράμετροι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιγράψουν τις μαγνητικές ιδιότητες των στερεών. Μία από αυτές είναι ο λόγος της μαγνητικής διαπερατότητας σε ένα υλικό προς τη μαγνητική διαπερατότητα στο κενό: μ μ r = (1.5) μ όπου μ r η σχετική μαγνητική διαπερατότητα η οποία είναι αδιάστατο μέγεθος. Η μαγνητική διαπερατότητα ή η σχετική μαγνητική διαπερατότητα ενός υλικού, είναι ένα μέτρο του βαθμού στον οποίο μπορεί να μαγνητισθεί ένα υλικό, ή της ευκολίας με την οποία ένα πεδίο Β επάγεται κάτω από την παρουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Μία άλλη ποσότητα πεδίου είναι η Μ που ονομάζεται μαγνήτιση ενός στερεού εκφράζει τη συνολική μαγνητική ροπή σε ένα υλικό ανά μονάδα όγκου και ορίζεται από την εξίσωση: Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 3

12 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» B = μ Η + μ Μ (1.6) Υπό την παρουσία ενός πεδίου Η, οι μαγνητικές ροπές μέσα σε ένα υλικό τείνουν να ευθυγραμμιστούν με το πεδίο και να το ενισχύσουν λόγω των μαγνητικών τους πεδίων. Ο όρος μ Η είναι το μέγεθος αυτής της συνεισφοράς. Το μέτρο της M είναι ανάλογο του εφαρμοζόμενου πεδίου όπως φαίνεται στην παρακάτω σχέση: M = χ m H (1.7) όπου χ m ορίζεται ως μαγνητική επιδεκτικότητα και είναι αδιάστατο μέγεθος. Η μαγνητική επιδεκτικότητα και η σχετική μαγνητική διαπερατότητα συνδέονται με την ακόλουθη σχέση: χ m = μ r 1 (1.8) Η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι ένα μέτρο της ευκολίας με την οποία ένα υλικό μαγνητίζεται όταν βρεθεί εντός μαγνητικού πεδίου. Οι μαγνητικές μονάδες μπορεί να αποτελέσουν πηγή σύγχυσης γιατί δύο συστήματα βρίσκονται σε κοινή χρήση. Τα δύο συστήματα είναι το SI [MKS (μέτρο-χιλιόγραμμοδευτερόλεπτο)] και το CGS-emu (εκατοστό-γραμμάριο-δευτερόλεπτο-ηλεκτρομαγνητικές μονάδες). Μαγνητική περιοχή ονομάζεται μία περιοχή ενός σιδηρομαγνητικού υλικού όπου η μαγνήτιση είναι αυθόρμητη. Δηλαδή, ακόμα και απουσία μαγνητικού πεδίου η μαγνήτιση προκύπτει από την ευθυγράμμιση όλων των μαγνητικών ροπών της περιοχής. Θερμοκρασία Curie (Τ c ) είναι η κρίσιμη θερμοκρασία στην οποία χάνονται οι σιδηρομαγνητικές και οι σιδηριμαγνητικές ιδιότητες. Πάνω από τη θερμοκρασία Curie το υλικό συμπεριφέρεται σαν να ήταν παραμαγνητικό. Μαγνήτιση κόρου (M s ) είναι η μέγιστη μαγνήτιση που μπορεί να αποκτήσει ένα σιδηρομαγνητικό υλικό σε μία δεδομένη θερμοκρασία. Η μέγιστη μαγνήτιση επιτυγχάνεται όταν όλες οι μαγνητικές ροπές έχουν προσανατολιστεί παράλληλα με το εφαρμοζόμενο πεδίο, πράγμα που αντιστοιχεί στην ύπαρξη μίας μόνο μαγνητικής περιοχής με μαγνήτιση M παράλληλα με το εφαρμοζόμενο πεδίο. Παραμένουσα μαγνήτιση (M r ) ονομάζεται η μαγνήτιση που παραμένει σε ένα μαγνητικό υλικό αφού μαγνητιστεί πλήρως και απομακρυνθεί το πεδίο μαγνήτισης. Το μέγεθος αυτό είναι ένα μέτρο της ικανότητας των μαγνητικών υλικών να διατηρούν ένα μέρος της μαγνήτισης τους όταν μηδενίζεται το εφαρμοζόμενο πεδίο. Το αντίστοιχο μαγνητικό πεδίο (μ Μ r ) ονομάζεται παραμένων μαγνητικό πεδίο B r. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 4

13 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Συνεκτικό πεδίο (H c ). Το συνεκτικό πεδίο είναι ένα μέτρο της αντίστασης που προβάλλει ένα μαγνητισμένο υλικό στον απομαγνητισμό του. Ισούται με το πεδίο που πρέπει να ασκηθεί στο υλικό (με αντίθετη φορά από τη φορά της μαγνήτισης) για να μηδενιστεί η παραμένουσα μαγνήτιση, δηλαδή για να απομαγνητιστεί το υλικό. Βρόχος υστέρησης ονομάζεται η καμπύλη μαγνήτισης (Μ) προς την ένταση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου (Η), ή η καμπύλη του Β προς το Η, ενός σιδηρομαγνητικού υλικού, καθώς το υλικό περνάει από έναν κύκλο μαγνήτισης και απομαγνήτισης. Τυπικοί βρόχοι υστέρησης σιδηρομαγνητικών υλικών παρουσιάζονται στο σχήμα 1.3. Σιδηρομαγνητικά υλικά. Τα υλικά αυτά μπορούν να έχουν μεγάλη παραμένουσα μαγνήτιση ακόμα και απουσία μαγνητικού πεδίου. Ένα μη μαγνητισμένο σιδηρομαγνητικό υλικό αποτελείται κανονικά από πολλές μαγνητικές περιοχές με μηδενικό άθροισμα μαγνητίσεων. Όταν όμως το υλικό βρεθεί στην περιοχή ενός ισχυρού πεδίου μαγνήτισης τότε αποτελείται από μία μόνο μαγνητική περιοχή, όπου όλες οι ατομικές spin μαγνητικές ροπές είναι παράλληλες. Έτσι δημιουργείται παράλληλα με το πεδίο μία μεγάλη μαγνήτιση. Μέρος της μαγνήτισης αυτής διατηρείται και μετά την απομάκρυνση του πεδίου. Σχήμα 1.3: Τυπικοί βρόχοι υστέρησης σιδηρομαγνητικών υλικών, όπου καταγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά τους, M r (B r ), M s (B s ), H c. Ο σιδηρομαγνητισμός συμβαίνει όταν τα άτομα είναι διατεταγμένα σε ένα πλέγμα και οι ατομικές μαγνητικές ροπές μπορούν να αλληλεπιδρούν. Το φαινόμενο αυτό εξηγείται από κλασσικές θεωρίες με την παραδοχή της ύπαρξης ενός μοριακού πεδίου εντός του σιδηρομαγνητικού υλικού, όπως προέβλεψε αρχικά ο Weiss to 197. Το πεδίο αυτό είναι ικανό να φέρει το υλικό σε μαγνητικό κόρο. Στο πλαίσιο της κβαντικής μηχανικής, το μοντέλο του Heisenberg για το σιδηρομαγνητισμό περιγράφει την παράλληλη ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών σαν αποτέλεσμα σύζευξης ανταλλαγής μεταξύ γειτονικών ροπών [3]. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 5

14 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Η κίνηση των μαγνητικών περιοχών καθορίζει τη συμπεριφορά ενός υλικού εντός μαγνητικού πεδίου και συνεπώς η επιδεκτικότητα είναι συνάρτηση του εξωτερικώς εφαρμοζόμενου πεδίου. Γι αυτό το λόγο, τα σιδηρομαγνητικά υλικά συνήθως κατηγοριοποιούνται με βάση τη μαγνήτιση κόρου και όχι με την επιδεκτικότητα. Στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων μόνο ο σίδηρος (Fe), το κοβάλτιο (Co) και το νικέλιο (Ni) είναι σιδηρομαγνητικά σε θερμοκρασία δωματίου και σε υψηλότερες θερμοκρασίες (Fe: T C =77 C, Co: T C =1131 C, Ni: T C =358 C). Στην θερμοκρασία Curie, τα υλικά αυτά μετατρέπονται σε παραμαγνητικά [3]. 1.3 Η ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Στη Φυσική Στερεάς Κατάστασης, τα περισσότερα υλικά απαντώνται σε στοιχειακή μορφή (καθαρά υλικά) ή ενώσεις ή κράματα μεταξύ στοιχείων. Στην παρούσα εργασία, μελετώνται κατάλληλα διαμορφωμένες τεχνητές υπερδομές οι οποίες ονομάζονται πολυστρωματικά υμένια και παρασκευάζονται με διαδοχική εναπόθεση δύο ή περισσοτέρων υλικών πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα [3], [4]. Συγκεκριμένα, μας ενδιαφέρουν μεταλλικά υπερπλέγματα όπου το ένα από τα δύο υλικά είναι μαγνητικό (Fe, Co, Ni) ή κράμα αυτού και το άλλο μη μαγνητικό (Pt, Pd, Cu, Ag, Au). Μία τέτοια δομή παρουσιάζεται στο σχήμα 1.4 και στη συνέχεια ακολουθεί η περιγραφή της. Έστω ότι έχουμε δύο υλικά Α και Β. Η διαδικασία ανάπτυξης ενός πολυστρωματικού υμενίου βασισμένο στα δύο αυτά υλικά είναι η εξής: Δύο διαφορετικές πηγές εναπόθεσης παράγουν ροή (ή δέσμες) ατμών των δύο υλικών οι οποίες κατευθύνονται πάνω σε κατάλληλο υπόστρωμα. Η ροή του κάθε υλικού ελέγχεται με τη βοήθεια ειδικών συστημάτων (κλείστρα) διακοπής και επανεκκίνησης της ροής του υλικού από την πηγή προς το υπόστρωμα. Κατά την εναπόθεση, το άνοιγμα και το κλείσιμο των κλείστρων ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε ο σχηματισμός ενός στρώματος μέσου πάχους t A από υλικό Α να ακολουθείται από τον σχηματισμό ενός στρώματος μέσου πάχους t Β από υλικό Β. Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται Ν φορές. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 6

15 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Σχήμα 1.4: Σχηματική αναπαράσταση ενός πολυστρωματικού υμενίου A m /B n όπου καταγράφονται τα χαρακτηριστικά του μεγέθη m, n, Λ, N. Το άθροισμα των δύο επιμέρους παχών t A, t Β αποτελεί την περίοδο διαμόρφωσης (modulation period) Λ, δηλαδή Λ=t A +t Β. Τα πάχη των επιμέρους συστατικών μπορούν να εκφραστούν και σε αριθμούς ατομικών επιπέδων. Στην περίπτωση αυτή συμβολίζονται με τους δείκτες m, n οι οποίοι παριστάνουν τους αριθμούς ατομικών επιπέδων των υλικών Α και Β αντίστοιχα. Η δομή αυτή συμβολίζεται ως A m /B n. Συνήθως πριν την εναπόθεση των Ν περιόδων αναπτύσσουμε ένα λεπτό αρχικό στρώμα (buffer layer) για επίτευξη επιθυμητής διεύθυνσης ανάπτυξης και καλύτερης κρυσταλλικότητας. Πάνω σε αυτό χτίζεται όλη η πολυστρωματική δομή. Μετά το τέλος της εναπόθεσης, αναπτύσσουμε ένα προστατευτικό στρώμα (overlayer) από το χημικά σταθερότερο εκ των Α και Β με στόχο την προστασία των δειγμάτων από τη διάβρωση και την οξείδωση. Τα επιμέρους πάχη των δύο συστατικών μπορούν να μεταβάλλονται από λίγα ατομικά επίπεδα μέχρι εκατοντάδες ή χιλιάδες ατομικά επίπεδα (μερικά Angstroms έως μερικές χιλιάδες nm), αναλόγως του επιστημονικού ενδιαφέροντος. Η μέχρι σήμερα ερευνητικές προσπάθειες, έχουν δείξει ότι εξαιρετικά ενδιαφέρουσες ιδιότητες των παρασκευασθέντων υμενίων έχουν παρατηρηθεί για πολύ μικρές τιμές των m, n αλλά και του ολικού πάχους των Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 7

16 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» δειγμάτων (μερικές δεκάδες nm). Για πολύ μεγάλες τιμές των m, n τα φαινόμενα που οφείλονται στην πολυστρωματική διαμόρφωση εξασθενούν και τα υμένια συμπεριφέρονται σαν τα επιμέρους συστατικά. Στην ιδανική περίπτωση οι αριθμοί m και n είναι φυσικοί αριθμοί και δεν υπάρχει καθόλου αλληλοδιάχυση των συστατικών διαμέσου των ενδοεπιφανειών [5]. Αν κάθε στρώμα υλικού αποτελείται από ακέραιο αριθμό ατομικών επιπέδων και οι ενδοατομικές αποστάσεις και οι πλεγματικές συμμετρίες των δύο υλικών είναι συμβατές, τότε το τεχνητό υπερπλέγμα είναι μονοκρυσταλλικό και θα έχει μια μεγεθυμένη μοναδιαία κυψελίδα (υπερκυψελίδα). Στην πραγματικότητα όμως, η ενδοδιάχυση μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων και η περιορισμένη χημική συγγένεια των δύο συστατικών μπορεί να αποτελέσουν πιθανά εμπόδια εξαιτίας των οποίων το υπό ανάπτυξη σύστημα δεν θα αποτελέσει ένα τεχνητό υπερπλέγμα. Με λίγα λόγια, δεν δίνουν όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί υλικών αποδεκτά πολυστρωματικά συστήματα [6]. Το γεγονός ότι τα υπερπλέγματα δεν εμφανίζονται στην φύση οδηγεί στην εκτίμηση ότι οι φυσικές τους ιδιότητες μπορούν να σχεδιαστούν και να ρυθμιστούν με κατάλληλο τρόπο ώστε να προκύψουν νέα υλικά με νέες ενδιαφέρουσες και τεχνολογικά αξιοποιήσιμες ιδιότητες. 1.4 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΩΝ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ Οι πρώτες εφαρμογές των πολυστρωματικών δομών εμφανίστηκαν περίπου 5 χρόνια πριν για οπτικά φίλτρα και ως επικαλύψεις υψηλής ανακλαστικότητας. Στη δεκαετία του 7 τα πολυστρωματικά υμένια έγιναν απαραίτητα στη βιομηχανία των ημιαγωγών από την κατασκευή των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων του υπολογιστή μέχρι και τους σκληρούς δίσκους [7]. Ωστόσο δεν υπήρχε ιδιαίτερο ενδιαφέρον έρευνας όσον αφορά τον μαγνητισμό μέχρι τη δεκαετία του 8. Τα άλματα προόδου στη τεχνολογία κενού τη δεκαετία επέφεραν τεράστια ώθηση στα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια μέσα στο 198 κάτι που μαρτυρά και η έκρηξη στον αριθμό δημοσιεύσεων από το 198 έως σήμερα [8]. Σήμερα αυτά τα υλικά αποτελούν την αιχμή της τεχνολογίας αφού εμφανίζουν εξαιρετικές μαγνητικές, οπτικές, μηχανικές και ηλεκτρικές ιδιότητες και βρίσκουν εφαρμογή σε πάρα πολλούς τομείς. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 8

17 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Τα κυριότερα πεδία τεχνολογικών εφαρμογών των μαγνητικών πολυστρωματικων υμενίων είναι δύο: Η κατασκευή μαγνητικών και μαγνητο-οπτικών αποθηκευτικών μέσων πληροφορίας με πολύ μεγάλη πυκνότητα. Η κατασκευή πολύ ευαίσθητων αισθητήρων μαγνητικού πεδίου εκμεταλλευόμενο το φαινόμενο της γιγαντιαίας μαγνητοαντίστασης (Giant MagnetoResistance - GMR). Η μαγνητική και μαγνητο-οπτική αποθήκευση πληροφορίας με πολύ υψηλή πυκνότητα έγινε επιτακτική ανάγκη μετά την εξέλιξη των συσκευών ψηφιακής τεχνολογίας (σκληροί δίσκοι, CD s, DVD s) που χρησιμοποιούν μεγάλες ποσότητες αποθηκευμένης πληροφορίας. Οι ιδιότητες που βελτιώνουν την επίδοση αυτή είναι η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία και οι ισχυρές τιμές της στροφής Kerr ή Faraday στα μικρά μήκη κύματος (στο μπλε χρώμα). Η παρατήρηση των ιδιοτήτων αυτών σε μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια Pd m /Co n [9] εισήγαγε τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια τύπου μη μαγνητικό μεταβατικό μέταλλο - μαγνητικό μεταβατικό μέταλλο σε ένα τεχνολογικό τομέα όπου μέχρις στιγμής κυριαρχούσαν τα πολυστρωματικά υμένια τύπου σπάνια γαία - μαγνητικό μεταβατικό μέταλλο. Η υψηλή χημική σταθερότητα των υμενίων αυτών αποτέλεσε έναν επιπλέον παράγοντα προώθησής τους στην έρευνα των υλικών αποθήκευσης πληροφορίας [1]. Με διάφορες μεθόδους, όπως λιθογραφία, βομβαρδισμός των υμενίων με ηλεκτρόνια ή ακτίνες-χ, επιτυγχάνεται η δημιουργία διατάξεων μεσοσκοπικών κουκκίδων πλάτους λίγων εκατοντάδων nm. Κάθε μία από τις κουκκίδες αυτές αποτελεί μια ανεξάρτητη μαγνητική περιοχή και επιτρέπει την εγγραφή και ανάγνωση μαγνητικής πληροφορίας. Στο σχήμα 1.5 παρουσιάζεται ένα σύστημα μαγνητο-οπτικής εγγραφής. Σχήμα 1.5: Σχηματική αναπαράσταση συστήματος μαγνητο-οπτικής εγγραφής. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 9

18 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Η γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση ανακαλύφθηκε το 1988 [11] και εντοπίστηκε αρχικά σε σύστημα τριστρωματικού υμενίου Fe/Cr [12]. Είναι το φαινόμενο όπου η αντίσταση μερικών υλικών μεταβάλλεται δραματικά καθώς εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο. Περιγράφηκε ως γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση από τη στιγμή αυτή επειδή ήταν ένα πολύ μεγαλύτερο φαινόμενο από τα προηγούμενα παρόμοια φαινόμενα που είχαν παρατηρηθεί μέχρι τότε στα μέταλλα. Η ανακάλυψη έδωσε μεγάλη ώθηση στην έρευνα αλλά και σε τεχνολογικές εφαρμογές σε μαγνητικά μέσα αποθήκευσης και σε αισθητήρες. Μερικές από τις εφαρμογές των GMR αισθητήρων είναι στη ρομποτική, στις κεφαλές ανάγνωσης και εγγραφής σε σκληρούς δίσκους (Hard Disk Drive - HDD), σε ανιχνευτές εμφυτεύσιμων ιατρικών συσκευών, σε φρένα ABS, σε ανιχνευτές κωδικοποιημένων μαγνητικών πεδίων συστημάτων ασφαλείας κ.ο.κ.. Πιθανές μελλοντικές εφαρμογές των GMR υλικών είναι σε μαγνητικές μνήμες τυχαίας προσπέλασης (Magnetic Random Access Memories), σε υψηλής ακρίβειας πυξίδες καθώς και σε πολλούς άλλους τομείς [3], [4]. Στον πίνακα 1.1, παρατίθενται τα κυριότερα γεγονότα στην ιστορική εξέλιξη των μαγνητικών μέσων εγγραφής. Πίνακας 1.1: Ιστορική εξέλιξη των μαγνητικών μέσων εγγραφής Έτος Τεχνολογικές εφαρμογές Χρήση κομματιών από υμένια permalloy για μαγνητικές μνήμες τυχαίας προσπέλασης (MRAMS s) FM εγγραφή (wide band signal) από τους C. Ginsburg et al. με εφαρμογή στην εγγραφή video 1958 Χρήση λεπτών υμενίων MnBi για μαγνητο-οπτική εγγραφή 1971 Κεφαλή μαγνητοαντίστασης από τον R. Hunt (IBM) Χρήση των λεπτών υμενίων από Σπάνιες Γαίες και μεταβατικά μέταλλα (Rare Earth-Transition Metal) με εφαρμογή στην μαγνητο-οπτική εγγραφή Μαγνητικό μέσο διαμήκους εγγραφής Co-Cr-Ta longitudinal medium (sputtered) από τον R.D. Fischer Εφαρμογή των κεφαλών μαγνητοαντίστασης σε σκληρούς δίσκους από τον D.A. Thompson 1997 Χρήση των υλικών GMR ως αισθητήρες σε σκληρούς δίσκους (IBM) 2 28 Πυκνότητα πληροφορίας σκληρού δίσκου 5 Gb/in 2 με κάθετη μαγνητική εγγραφή (Hitachi Tohoku Univ. AIT) Πυκνότητα πληροφορίας σκληρού δίσκου 61 Gb/in 2 με κάθετη μαγνητική εγγραφή (Hitachi Global Storage Technologies) Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 1

19 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. 1.5 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ Όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενη ενότητα, τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια αποτελούν δομές όπου στρώματα μαγνητικού υλικού διαχωρίζονται από μη μαγνητικά στρώματα. Τα εναλλασσόμενα αυτά στρώματα μπορεί να ποικίλουν σε αριθμό και το πάχος τους να κυμαίνεται μεταξύ 2-1 Å. Από την πολυστρωματική διαμόρφωση προκύπτει πλήθος φαινομένων με αυξημένο επιστημονικό ενδιαφέρον. Οι ιδιότητες που εμφανίζονται στα υπερπλέγματα μπορεί να είναι ποιοτικά και ποσοτικά διαφορετικές από αυτές των επιμέρους συμπαγών (bulk) υλικών που απαρτίζουν το πολυστρωματικό σύστημα. Οι παράγοντες που καθορίζουν την εμφάνιση και το μέγεθος αυτών των ιδιοτήτων είναι τα πάχη των επιμέρους υλικών και κατ επέκτασιν η περίοδος διαμόρφωσης Λ, και ο αριθμός επαναλήψεων της περιόδου Ν. Τα πάχη δύο γειτονικών στρωμάτων μπορούν να επιλέγουν με τέτοιο τρόπο ώστε να ταιριάζουν στα μήκη αλληλεπίδρασης χαρακτηριστικών φυσικών ιδιοτήτων των υλικών. Συνήθως, το ενδιαφέρον επικεντρώνεται σε μικρά πάχη των επιμέρους συστατικών, γιατί σε αντίθετη περίπτωση υπάρχει ενδεχόμενο εξασθένησης των φαινομένων που οφείλονται στην πολυστρωματική διαμόρφωση, και εμφάνισης των ιδιοτήτων των επιμέρους υλικών [12]. Οι φυσικές ιδιότητες και τα φαινόμενα που εμφανίζονται στις πολυστρωματικές δομές μπορούν να ταξινομηθούν στις παρακάτω κατηγορίες: Ιδιότητες λεπτών υμενίων λόγω της γεωμετρίας τους. Φαινόμενα γειτονίας λόγω επαφής διαφορετικών υλικών σε ατομικό επίπεδο. Φαινόμενα σύζευξης. Φαινόμενα πολυστρωματικού χαρακτήρα. Η διαστρωματική σύζευξη διαδοχικών μαγνητικών στρωμάτων διαχωρισμένων από μη μαγνητικά στρώματα αναφέρεται και ως μαγνητική σύζευξη [13]. Χαρακτηριστικό παράδειγμα μαγνητικής σύζευξης αποτελεί η γιγαντιαία μαγνητοαντίσταση, μία συνέπεια της αντισιδηρομαγνητικής σύζευξης κατά μήκος του ενδιάμεσου μη μαγνητικού στρώματος. Το φαινόμενο για να περιγραφεί απαιτεί τουλάχιστον τρία στρώματα και έτσι δεν είναι απαραίτητη η ύπαρξη υπερπλέγματος. Όμως είναι πολύ πιο εύκολο να παρατηρηθούν τέτοια φαινόμενα στα υπερπλέγματα επειδή αυτά εμφανίζονται ενισχυμένα από τον μεγαλύτερο αριθμό στρωμάτων και επειδή οι περισσότερες ενδοεπιφάνειες είναι καλά προστατευμένες από την επιφανειακή μόλυνση. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 11

20 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Ένα παράδειγμα φαινομένου γειτονίας-ενδοεπιφάνειας, αποτελεί η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία (Perpendicular Magnetic Anisotropy - PΜΑ) [9], όπου η επιφανειακή ανισοτροπία υπερκαλύπτει την ισχυρότερη ανισοτροπία σχήματος. Τα δύο παραπάνω φαινόμενα παρατηρήθηκαν αρχικά στα υπερπλέγματα. 1.6 ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΑΝΙΣΟΤΡΟΠΙΑ Ονομάζουμε μαγνητική ανισοτροπία την εξάρτηση των μαγνητικών ιδιοτήτων ενός υλικού από τους άξονες μαγνήτισης [14]. Έχει παρατηρηθεί πειραματικά ότι οι σιδηρομαγνητικοί μονοκρύσταλλοι έχουν έναν «εύκολο» και έναν «δύσκολο» άξονα μαγνήτισης. Αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια που απαιτείται για να μαγνητιστεί ένας κρύσταλλος εξαρτάται από την διεύθυνση του εξωτερικά εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου ως προς τους άξονες του κρυστάλλου. Η μαγνητική ανισοτροπία έχει έντονες επιπτώσεις στους βρόχους υστέρησης και επηρεάζει σημαντικά το συνεκτικό πεδίο και την παραμένουσα μαγνήτιση. Από τεχνολογική άποψη είναι μια από τις σημαντικότερες ιδιότητες των μαγνητικών υλικών και βρίσκει εφαρμογή σε μόνιμους μαγνήτες, πυρήνες σε πηνία μετασχηματιστών, μαγνητικά μέσα εγγραφής κ.α.. Οι βασικοί τύποι μαγνητικής ανισοτροπίας είναι τρεις: Η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία. Η ανισοτροπία λόγω τάσεων. Η ανισοτροπία σχήματος. Μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία ονομάζεται η ανισοτροπία που σχετίζεται με μαγνητικές ιδιότητες (όπως π.χ. μαγνήτιση) σε διάφορες διευθύνσεις ενός σιδηρομαγνητικού υλικού. Τα ατομικά spin τείνουν να προσανατολίζονται παράλληλα με ορισμένες διευθύνσεις του κρυστάλλου. Οι διευθύνσεις αυτές ονομάζονται εύκολες διευθύνσεις μαγνήτισης. Η διεύθυνση στην οποία παρουσιάζεται η μεγαλύτερη αντίσταση στον προσανατολισμό των spin ονομάζεται δύσκολη διεύθυνση. Η μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία είναι μια εγγενής ιδιοκτησία ενός σιδηρομαγνήτη, ανεξάρτητα από το μέγεθος των κόκκων και τη μορφή. Στο σχήμα 1.6 [15] παρατίθενται οι καμπύλες μαγνήτισης για μονοκρυστάλλους Fe [16], Co [17] και Ni [18]. Για το hcp Co ο εύκολος άξονας μαγνήτισης είναι ο [1] και δύσκολος ο [1]. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 12

21 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Σχήμα 1.6: Καμπύλες μαγνήτισης για μονοκρυστάλους Fe(bcc), Co(hcp), Ni(fcc) όπου διακρίνονται οι «εύκολές» και οι «δύσκολες» διευθύνσεις μαγνήτισης. Ανισοτροπία λόγω τάσεων. Αυτή η μορφή ανισοτροπίας σχετίζεται με την αλλαγή μαγνήτισης που οφείλεται στη σύζευξη spin-τροχιάς (spin-orbit). Kαθώς μαγνητίζουμε ένα υμένιο που είναι αρχικά απομαγνητισμένο, εξασκείται σε αυτό μία πίεση η οποία μπορεί να μετρηθεί ως συνάρτηση του πεδίου στους κύριους κρυσταλλογραφικούς άξονες. Αυτό σημαίνει ότι οι διαστάσεις ενός μαγνητικό υλικού μεταβάλλονται καθώς αυτό μαγνητίζεται. Το φαινόμενο αυτό ισχύει και αντίστροφα, δηλαδή η άσκηση πίεσης κατά μήκος των κύριων κρυσταλλογραφικών αξόνων έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της μαγνήτισης. Μια πίεση εφαρμοζόμενη κατά μήκος ενός άξονα μπορεί να συντελέσει στην εμφάνιση ενός εύκολου άξονα μαγνήτισης με μόνη προυπόθεση η πίεση να είναι επαρκής ώστε να υπερνικήσει τις υπόλοιπες ανισοτροπίες. Το μέγεθος αυτό περιγράφεται από δύο εμπειρικές σταθερές, γνωστές ως σταθερές μαγνητοσυστολής (magnetostriction) και από το επίπεδο της πίεσης. Ανισοτροπία σχήματος είναι η ανισοτροπία των μαγνητικών ιδιοτήτων που σχετίζεται με το σχήμα των κόκκων του υλικού. Ένα μαγνητισμένο υλικό δημιουργεί μαγνητικού πόλους στην επιφάνεια του. Η κατανομή των πόλων εξαρτάται από το σχήμα των κόκκων και δρα σαν μια ακόμα πηγή μαγνητικού πεδίου, που λέγεται πεδίο απομαγνήτισης. Στην περίπτωση που οι κόκκοι δεν είναι τελείως σφαιρικοί, τότε η απομαγνήτιση του υλικού δεν θα είναι ίδια προς όλες τις διευθύνσεις, δημιουργώντας έτσι έναν ή περισσότερους άξονες εύκολης μαγνήτισης. Καθώς το μέγεθος των κόκκων αυξάνεται, η επίδραση της ανισοτροπίας σχήματος μειώνεται σε σχέση με την μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία. Ένα από τα σημαντικότερα αποτελέσματα στα πλαίσια της έρευνας στο πεδίο των μαγνητικών λεπτών υμενίων είναι η ανακάλυψη της κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας σε διάφορα συστήματα. Πρόκειται για την αλλαγή της διεύθυνσης του «εύκολου» άξονα της μαγνήτισης έξω από το επίπεδο του υμενίου όταν το πάχος του υμενίου είναι μικρότερο από ένα κρίσιμο πάχος. Συνήθως το φαινόμενο αυτό αποδίδεται στην ισχυρή επιφανειακή και Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 13

22 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» διεπιφανειακή μαγνητική ανισοτροπία που παρατηρείται στα συστήματα λεπτών υμενίων και πολυστρωματικών υμενίων και που σύμφωνα με τον Néel [19] οφείλεται στις διακοπές της συμμετρίας λόγω των ενδοεπιφανειών. Με κατάλληλη επιλογή των υλικών και των παχών των διαφορετικών στρώσεων της πολυστρωματικής δομής είναι δυνατόν να σχεδιαστούν δομές με την επιθυμητή ανισοτροπία για τις διάφορες εφαρμογές όπως για παράδειγμα η κάθετη μαγνητική εγγραφή. Στο σχήμα 1.7 παρατίθεται η αναπαράσταση ενός επιμήκους και ενός κάθετου μαγνητικού μέσου εγγραφής. Στην κάθετη μαγνητική εγγραφή επιτυγχάνεται υψηλότερη πυκνότητα πληροφορίας εξαιτίας της συρρίκνωσης των κενών μεταξύ των στοιχείων πληροφορίας. Σχήμα 1.7: Μαγνητικό μέσο για επιμήκη (αριστερά) και κάθετη (δεξιά) μαγνητική εγγραφή πληροφορίας. Η παρατήρηση της κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας σε πολυστρωματικά υμένια έγινε το 1985 από τον Carcia και τους συνεργάτες του σε διάφορα συστήματα πολυστρωματικών υμενίων Co/Pd [9], ενώ ακολούθησαν και άλλες στο συστήμα Co/Pt [2]. Η ενεργός μαγνητική ανισοτροπία δίνεται από την σχέση: K K S = K eff = K V + 2 (1.9) t όπου Κ V η συνεισφορά του όγκου του υλικού στην ανισοτροπία. Η Κ V περιλαμβάνει τη συνεισφορά από την μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, την ανισοτροπία σχήματος και την μαγνητο-ελαστική ανισοτροπία. Όπου Κ S η συνεισφορά των διεπιφανειών. Η εξίσωση αυτή δίνει ένα σταθμικό μέσο της ενέργειας μαγνητικής ανισοτροπίας των ατόμων των διεπιφανειών και των εσωτερικών ατόμων μιας στρώσης μαγνητικού υλικού πάχους t. Κατά σύμβαση ο λόγος K S / t, όπου t το πάχος ενός μόνο στρώματος του υλικού, αντιστοιχεί στην Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 14

23 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. διαφορά της ανισοτροπίας μεταξύ των ατόμων της διεπιφάνειας και του εσωτερικού του μαγνητικού υλικού. Επίσης θεωρούμε ότι κάθε στρώμα οριοθετείται από δύο πανομοιότυπες διεπιφάνειες, γι αυτό και εμφανίζεται ο παράγοντας 2. Η εξίσωση χρησιμοποιείται κυρίως σε πειραματικές μελέτες και ο προσδιορισμός των Κ V και K S γίνεται μέσω του διαγράμματος Κ eff t συναρτήσει του t. Στο παρακάτω σχήμα 1.8 παρατίθεται ένα τέτοιο διάγραμμα για πολυστρωματικά υμένια Co/Pd [21]. Σχήμα 1.8: Διάγραμμα Κ eff t συναρτήσει του t για πολυστρωματικά υμένια Co/Pd [21]. Στο σχήμα αυτό παρατηρούμε ότι οι θετικές τιμές της K eff αντιστοιχούν σε προτιμητέα διεύθυνση της μαγνήτισης κάθετα στο επίπεδο του υμενίου, ενώ οι αρνητικές τιμές παράλληλα προς το επίπεδο του υμενίου. Η αρνητική τιμή της κλίσης υποδεικνύει ότι η συνεισφορά Κ V παίρνει αρνητικές τιμές, ενώ η τομή της ευθείας με τον άξονα Κ eff t δίνει την τιμή της συνεισφοράς K S, που είναι θετική. Για τιμές του t μεγαλύτερες από μια συγκεκριμένη τιμή η συνεισφορά των διεπιφανειών επικρατεί έναντι της συνεισφοράς του όγκου με αποτέλεσμα το σύστημα να παρουσιάζει κάθετη μαγνητική ανισοτροπία. 1.7 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Co/Pt ΣΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Τα πολυστρωματικά υμένια Co/Pt έχουν προσελκύσει τεράστιο ενδιαφέρον τις δύο τελευταίες δεκαετίες λόγω των εξαιρετικών μαγνητικών και μαγνητοοπτικών τους χαρακτηριστικών. Ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης, κάθετη μαγνητική ανισοτροπία για μικρά πάχη μαγνητικού υλικού, μεγάλες τιμές στροφής Kerr στα μικρά μήκη κύματος μαζί με καλή συμπεριφορά έναντι της οξείδωσης και της διάβρωσης καθιστούν αυτό το σύστημα υποψήφιο Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 15

24 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» για εφαρμογές στις τεχνολογίες πληροφορικής ως μέσο μαγνητικής και μαγνητο-οπτικής εγγραφής υπερυψηλής πυκνότητας. Η μαγνητική συμπεριφορά του συστήματος αυτού καθορίζεται από τις τιμές των παραμέτρων διαμόρφωσης (πάχη m, n των επιμέρους υλικών, αριθμός επαναλήψεων και ολικό πάχος). Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα δομικά χαρακτηριστικά των καθαρών στοιχείων Pt και Co. Όπως φαίνεται, η διαφορά στις πλεγματικές σταθερές των στοιχείων είναι ~9.5%. Πίνακας 1.2: Δομικά στοιχεία αναφοράς για τα στοιχεία Pt και Co. Στοιχείο a(å) d 111 (Å) 2θ ο Pt (fcc) Co (fcc) Διαφορά πλεγματικών σταθερών Pt-Co: 9.5% Πολλές ερευνητικές εργασίες έχουν ως αντικείμενο τους το πολυστρωματικό σύστημα Co/Pt. Παρακάτω, παρουσιάζονται κάποια στοιχεία των εργασιών αυτών. Οι Zeper et al. [22] ανέπτυξαν μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια Co/Pt συνολικού πάχους 5Å απ ευθείας πάνω σε γυαλί ή Si σε θερμοκρασία δωματίου. Τα υμένια αναπτύχθηκαν με την τεχνική της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation). Σύμφωνα με την μελέτη που πραγματοποίηθηκε, ο εύκολος άξονας μαγνήτισης βρέθηκε να είναι κάθετος στην επιφάνεια των υμενίων για t Co <12 Å. Για ακόμα μικρότερα πάχη Co (t Co <4.5 Å) η παραμένουσα μαγνήτιση (M r ) των υμενίων έφτασε στο 1% της μαγνήτισης κόρου (M s ) στην κάθετη γεωμετρία. Οι υψηλότερες τιμές συνεκτικού πεδίου (H c ) σημειώθηκαν στο εύρος 8-1 ka/m. Οι υψηλότερες τιμές μαγνήτισης κόρου (M s ) βρέθηκαν μεταξύ ka/m, κανονικοποιημένες στο όγκο του Co. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής, βρέθηκε ότι η ενδοεπιφανειακή ανισοτροπία συνεισφέρει στη συνολική μαγνητική ανισοτροπία. Οι Weller et. al, [23] στα πλαίσια της μελέτης που πραγματοποίησαν, ανέπτυξαν πολυστρωματικά υμένια Co/Pt με την μέθοδο της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation). Τα δείγματα ήταν της μορφής [Co(t Co Å)/Pt(1 Å)]x1 όπου 2<t Co <2 Å και εμφάνισαν κάθετη μαγνητική ανισοτροπία (ΚΜΑ) και τιμές συνεκτικού πεδίου σε θερμοκρασία δωματίου που κυμαίνονται μεταξύ H c =2-15 koe. Οι δομικές και μαγνητικές ιδιότητες των υμενίων μελετήθηκαν συναρτήσει της θερμοκρασίας ανάπτυξης T G (growth temperature). Για T G o C, οι βρόχοι υστέρησης (Kerr) και ο χαρακτηρισμός με MFM (Magnetic Force Microscopy) έδειξαν μεταβολές στον μηχανισμό μεταβολής της μαγνήτισης μαζί με μία έντονη αύξηση της συνεκτικότητας. Για T G 23 o C (t Co =2-4 Å), τα υμένια Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 16

25 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. εμφανίζουν μαγνητικές περιοχές μεγέθους μερικών μικρομέτρων και τετραγωνικούς βρόχους υστέρησης που δείχνουν ότι ο μηχανισμός αντιστροφής της μαγνήτισης κυριαρχείται από την ταχεία κίνηση των ορίων των μαγνητικών περιοχών. Ο δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός έγινε με HRTEM (High Resolution Transmission Electron Μicroscopy) και XRD, και έδειξε την ύπαρξη κολλονοειδούς ανάπτυξης (columnar growth) των κρυσταλλιτών σε όλο τον όγκο του πολυστρωματικού υμενίου. Χαρακτηριστική είναι η έρευνα των Angelakeris et al. [24] η οποία επικεντρώθηκε στη μελέτη των δομικών και μαγνητικών χαρακτηριστικών των πολυστρωματικών υμενίων Pt/Co που αναπτύχθηκαν με την τεχνική της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation). To πάχος του κάθε υλικού κρατήθηκε κάτω από 4 ατομικά επίπεδα, για την αποτελεσματικότερη μελέτη των ενδοεπιφανειών και των επαγόμενων από αυτές μαγνητικών φαινομένων. Η δομικός χαρακτηρισμός έγινε με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων-χ (XRD) και πιστοποίησε την πολυστρωματική δομή των δειγμάτων. Οι μετρήσεις μαγνητομετρίας κατέγραψαν ρυθμιζόμενη κάθετη μαγνητική ανισοτροπία και ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης λόγω του υψηλού βαθμού με τον οποίο επάγεται μαγνητική ροπή στην Pt, μέσα σε σιδηρομαγνητικό περιβάλλον. Μετρήσεις με μαγνητικό κυκλικό διχρωισμό ακτίνων- Χ (XMCD), παρείχαν ποσοτικά δεδομένα σχετικά με τον επαγόμενο μαγνητισμό και τις τροχιακές μαγνητικές ροπές. Με βάση τα παραπάνω, βρέθηκε ενισχυμένη συνεισφορά της Pt στην ΚΜΑ. Σύμφωνα με την παραπάνω μελέτη, η ύπαρξη ισχυρής ΚΜΑ αποδίδεται σε τρεις παράγοντες: (α) Στην ενδοεπιφανειακή ανισοτροπία η οποία σχετίζεται με τον προσανατολισμό των στρωμάτων Co, Pt και εμφανίζει την μεγαλύτερη τιμή της για ενδοεπιφάνειες με διεύθυνση <111>. (β) Στο σχηματισμό κράματος Pt-Co στις ενδοεπιφάνειες, Το κράμα αυτό, είναι δυνατό να τροποποιήσει την μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία παίζοντας καθοριστικό ρόλο στην εμφάνιση ΚΜΑ. (γ). Τέλος, για πολύ λεπτά στρώματα Co και Pt, η μαγνητοελαστική ενέργεια που προέρχεται από τις επαγόμενες τάσεις σε αυτά, μπορεί επίσης να συνεισφέρει στην ΚΜΑ. Στην περίπτωση των πολυστρωματικών υμενίων, καθοριστικό ρόλο στη διαμόρφωση της ΚΜΑ παίζουν οι παράμετροι διαμόρφωσης (πάχη επιμέρους συστατικών, αριθμός Ν επαναλήψεων της περιόδου), καθώς συνδέονται άμεσα με την ποιότητα των ενδοεπιφανειών, το σχηματισμό κράματος και τις επαγόμενες τάσεις [25]. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 17

26 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» 1.8 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Co/Pd ΣΕ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Το 1985 η ερευνητική εργασία των Carcia et al. [9], ανέφερε την εμφάνιση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας στα πολυστρωματικά υμένια Co/Pd. Πιο συγκεκριμένα, εμφανίστηκε KMA σε πολυκρυσταλλικά υμένια Co/Pd με πολύ λεπτές στρώσεις μαγνητικού υλικού και διεύθυνση ανάπτυξης <111>. Έκτοτε, το σύστημα αυτό έχει αποτελέσει αντικείμενο εκτεταμένων ερευνών και έχει προταθεί ως μέσο μαγνητοοπτικής εγγραφής υψηλής πυκνότητας. Ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης, υψηλή συνεκτικότητα και παραμένουσα μαγνήτιση χαρακτηρίζουν το σύστημα Co/Pd και αποτελούν ιδιότητες τεχνολογικά χρήσιμες. Η εξάρτηση της μαγνητικής ανισοτροπίας από την μέθοδο ανάπτυξης, τη θερμοκρασία εναπόθεσης καθώς και τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό έχουν μελετηθεί σε ένα πλήθος εργασιών, με στόχο την βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του συστήματος αυτού. Στην ίδια εργασία, βρέθηκε ότι υπεύθυνη για τον μηχανισμό ανάπτυξης της ΚΜΑ, ήταν η ενδοεπιφανειακή ανισοτροπία ανάμεσα στις στρώσεις Pd/Co και οι επαγόμενες τάσεις στις λεπτές στρώσεις του Co που προέρχονται από την μεγάλη διαφορά πλεγματικών σταθερών ανάμεσα σε Pt και Co. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα δομικά χαρακτηριστικά των καθαρών στοιχείων Pd και Co. Όπως φαίνεται, η διαφορά στις πλεγματικές σταθερές των στοιχείων είναι 9~%. Πίνακας 1.3: Δομικά στοιχεία αναφοράς για τα στοιχεία Pd και Co. Στοιχείο a(å) d 111 (Å) 2θ ο Pd (fcc) Co (fcc) Διαφορά πλεγματικών σταθερών Pd-Co: 9% Πολλές ερευνητικές εργασίες έχουν ως αντικείμενο τους το πολυστρωματικό σύστημα Co/Pd. Παρακάτω, παρουσιάζονται κάποια στοιχεία των εργασιών αυτών. Χαρακτηριστικό είναι το αποτέλεσμα της έρευνας που αναφέρθηκε παραπάνω. Οι Carcia et al. ανεπτυξαν πολυστρωματικά υμένια Co/Pd με την μέθοδο rf sputtering πάνω σε υπόστρωμα γυαλιού και πολυιμιδίου. Πειράματα XRD (X-ray Diffraction) πιστοποίησαν την καλή πολυστρωματική διαμόρφωση, ενώ τα μαγνητικά χαρακτηριστικά μελετήθηκαν με πειράματα VSM (Vibrating Sample Magnetomery). Τα στρώματα του Co στα υμένια ήταν εξαιρετικά λεπτά (t co =4-13Å), ενώ το συνολικό πάχος τους βρισκόταν στο εύρος 3-2 Å. Για t co <8 Å παρατηρήθηκε κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, ενώ τα καλύτερα δείγματα εμφανίσαν μαγνητιση κόρου M s =5 emu/cm 3 και συνεκτικό πεδίο H c =55 Oe, σε Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 18

27 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. θερμοκρασία δωματίου. Μετά από ανόπτηση για 2 ώρες στους 4 o C, παρατηρήθηκε ελάττωση της ΚΜΑ λόγω κραματοποίησης και αυξημένης ενδοδιάχυσης στις διεπιφάνειες Pd/Co, και αύξηση της M s κατά ~15%. Στο σχήμα 1.9 παρατηρούμε τις αλλαγές στους βρόχους υστέρησης και τα μαγνητικά χαρακτηριστικά των υμενίων, καθώς η περίοδος διαμόρφωσης και το πάχος του μαγνητικού υλικού μεταβάλλονται. Φαίνεται ξεκάθαρα η διαμόρφωση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας για t co <8 Å. Σχήμα 1.9: Βρόχοι υστέρησης (VSM σε Τ=3Κ) σε παράλληλη (διακεκομμένη γραμμή) και κάθετη γεωμετρία (συμπαγής γραμμή) για 4 πολυστρωματικά υμένια Co/Pd με μεταβαλλόμενα πάχη Co [9]. Η έρευνα των Sang-Koog Kim et al. [26] έδειξε ότι πολυστρωματικά υμένια [Co x Å+Pd 24 Å]x13 που αναπτύχθηκαν πάνω σε Si εμφανίζουν KMA για x=3.2 Å και x=5 Å. Βρέθηκε ότι στις ενδοεπιφάνειες μεταξύ του Co και του Pd σχηματίζεται κραματοποιημένη φάση Co- Pd, η οποία σε συνδυασμό με τις επαγόμενες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται στο επίπεδο του υμενίου οδηγούν στην ανάπτυξη KMA. Τελικά κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η εξάρτηση του εύκολου άξονα μαγνήτισης από τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό σε ένα βαθμό οφείλεται στην μαγνητοελαστική ανισοτροπία, η οποία με τη σειρά της επηρεάζεται έντονα από την σταθερά μαγνητοσυστολής. Η τελευταία εξαρτάται επίσης από τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 19

28 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» 1.9 ΤΟ ΚΡΑΜΑΤΑ Co-Pt ΚΑΙ Co-Pd Τα κράματα Co 1-x Pt x και Co 1-x Pd x έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον ως μέσα μαγνητοοπτικής εγγραφής (MO) επειδή εμφανίζουν μία σειρά από ιδιότητες όπως: (α) ισχυρή μαγνητο-οπτική απόκριση σε σχέση με τα αντίστοιχα πoλυστρωματικά υμένια (Co/Pt, Co/Pd) σε όλο το εύρος των μηκών κύματος (82-4 nm) που τα καθιστά κατάλληλα για εφαρμογές, (β) ευκολία στην κατασκευή και (γ) χημική σταθερότητα [27]. Ενώ η ΚΜΑ στα πολυστρωματικά υμένια Co/X (όπου Χ=Pd, Pt, Au, Ir) αποτελεί ένα συνηθισμένο φαινόμενο, η παρουσία του στα αντίστοιχα συστήματα κραμάτων παρόμοιας σύστασης έχει γίνει εμφανής μόνο σε σύστήματα Co 1-x Pt x που έχουν παρασκευαστεί με τεχνικές εξάχνωσης και Co 1-x Pd x που έχουν παρασκευαστεί με τεχνικές εξάχνωσης και sputtering [28], [29], [3]. Η επιφανειακή μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία, η οποία αποτελέι επακόλουθο των διασπάσεων της συμμετρίας ή ακριβέστερα της τροποποιημένης δομής των ενεργειακών ταινιών (υβριδισμός) κοντά στις ενδοεπιφάνειες, εξηγεί με επάρκεια την μεγάλη τιμή της ΚΜΑ (K u = 2 MJ/m 3 για πολυστρωματικά υμένια, κανονικοποιημένη στον όγκο του Co). Ωστόσο, παρόμοια υψηλές ανισοτροπίες της τάξεως των.5 MJ/m 3 (κανονικοποιημένες στον συνολικό όγκο του υλικού) έχουν βρεθεί και σε κράματα. Το ερώτημα που γεννιέται αφορά την προέλευση των ισχυρών αυτών ανισοτροπιών. Έχει βρεθεί ότι οι εφελκυστικές τάσεις σε συνδυασμό με τις μεγάλες αρνητικές τιμές των μαγνητοσυστολικών σταθερών λ 111 στα κράματα αυτά, συσχετίζονται με την εξαρτώμενη από τη σύσταση ανισοτροπία για τα κράματα Co 1-x Pd x, δίνοντας εξήγηση σε μόνο σε ένα 3% της συνολικής KMA. Επιπροσθέτως, δεν παρατηρήθηκε καμία τέτοια συσχέτιση για το κράμα Co 1-x Pt x παρά το γεγονός ότι εμφανίζει υψηλότερες τιμές της KMA σε σχέση με το Co 1-x Pd x στα δείγματα που μελετήθηκαν. Βρέθηκε πειραματικά ότι υπάρχει συσχέτιση ανάμεσα στο μαγνητο-οπτικό φαινόμενο Kerr και στη μαγνητική ανισοτροπία των κραμάτων αυτών. Ένα από τα μοντέλα που προτάθηκαν για την ερμηνεία της βασίζεται στην ετερογενή ανάπτυξη του υμενίων. Τα υπο μελέτη δείγματα αναπτύχθηκαν με την τεχνική της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation) σε θάλαμο υπερυψηλού κενού (1-8 Torr) πάνω σε υπόστρωμα πυριτίου (Si) ή γυαλιού, με αρχικό στρώμα αποτελούμενο από SiN x, ή εναλλακτικά Pt ή Pd. Κατά την ανάπτυξη, το υπόστρωμα βρισκόταν σε υψηλή θερμοκρασία (T 2 o C) με στόχο την απόκτηση υψηλών τιμών ΚΜΑ στα κράματα. Ο ρυθμός εναπόθεσης διατηρήθηκε περίπου στα.1 nm/s. Οι δομικές ιδιότητες μελετήθηκαν με τις τεχνικές XRF και XRD με στόχο την εύρεση της σύστασης, των παχών καθώς και της διεύθυνσης Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 2

29 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. ανάπτυξης των υμενίων. Οι μαγνητικές ιδιότητες μελετήθηκαν μέσω μαγνητο-οπτικών βρόχων υστέρησης Kerr στα 633nm, στατικής μαγνητομετρίας VSM για προσδιορισμό της μαγνήτισης και μαγνητομετρίας torque για προσδιορισμό της μαγνητικής ανισοτροπίας. Οι Weller et al. [27] και Lin et al. [29], έχουν αναφέρει ενδιαφέρουσες ιδιότητες σε κράματα Co 1-x Pt x τα οποία αναπτύχθηκαν με διάφορες μεθόδους (HV coevaporation, HV subatomic layering, UHV evaporation). Το κοινό συμπέρασμα που βγαίνει από τα παραπάνω είναι ότι η θερμοκρασία ανάπτυξης αποτελεί τον βασικότερο παράγοντα ελέγχου της ΚΜΑ και του συνεκτικού πεδίου H c. Ενώ στην περίπτωση των HV πειραμάτων η παρατήρηση υψηλών τιμών συνεκτικού πεδίου συνδέεται με την ανάπτυξη <111>, δεν συμβαίνει το ίδιο στην περίπτωση των υμενίων που αναπτύχθηκαν σε συνθήκες υπερυψηλόυ κενού (UHV). Από τον δομικό χαρακτηρισμό με XRD βρέθηκε ότι τόσο τα κράματα Co 1-x Pt x όσο και τα πολυστρωματικά υμένια Co/Pt κρυσταλλώνονται στο fcc σύστημα με διεύθυνση ανάπτυξης την <111>. Το ίδιο ισχύει και για τα συστήματα Co 1-x Pd x και Co/Pd. Στην περίπτωση του κράματος Co 1-x Pt x, η υψηλότερη τιμή του συνεκτικού πεδίου (H c = 1.45 koe ή 116 ka/m) είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη των πολυστρωματικών υμενίων Co/Pt (H c = 8.2 koe ή 656 ka/m). Επιπλέον, στο κράμα η παραμένουσα μαγνήτιση (M r ) είναι περίπου το 65% της μαγνήτισης κόρου (M s ), ενώ στο πολυστρωματικό σύστημα έχουν επιτευχθεί τιμές του λόγου M r / M s ίσες περίπου με 1%. Ωστόσο, ανάπτυξη των δειγμάτων στους 2 ο C οδηγεί σε περίπου ίδιες τιμές συνεκτικού πεδίου (H c 3.2 koe ή 256 ka/m) και παραμένουσα μαγνήτιση στο 1% της μαγνήτισης κόρου τόσο στα κράματα όσο και στα πολυστρωματικά υμένια. Η υψηλότερη συνεκτικότητα εμφανίστηκε για x = 72, δηλαδή για το κράμα Co 28 Pt 72 καθώς και για το πολυστρωματικό υμένιο με ίδια σύσταση. Στο σχήμα 1.1 συνοψίζονται οι τιμές της M s σε θερμοκρασία δωματίου από μετρήσεις VSM (Τ=3Κ), ως συνάρτηση της σύστασης του κράματος. Από το σχήμα αυτό μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για την εξάρτηση της θερμοκρασίας Curie από την συγκέντρωση της Pt ή του Pd στο κράμα. Συγκεκριμένα, για συγκέντρωση Pt ή Pd ίση περίπου με 9 at.% παρατηρείται πτώση της θερμοκρασίας Curie κοντά στη θερμοκρασία δωματίου. Σε συγκέντρωση Pt ή Pd κοντά στο 15 at.% παρατηρείται απότομη μείωση της M s, που σχετίζεται με τη αλλαγή φάσης του Co από hcp σε fcc σε αυτή την περιοχή συγκέντρωσης. Η M s των υμενίων καθαρού Co φαίνεται ελάχιστα μειωμένη σε σχέση με την βιβλιογραφική τιμή (1422kA/m) λόγω ατελειών κατά την ανάπτυξη των υμενίων. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 21

30 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Σχήμα 1.1: Εξάρτηση της μαγνήτισης κόρου (M s ) από τη σύσταση για μία σειρά κραματοποιημένων υμενίων Co 1-x Pt x (αριστερά) και Co 1-x Pd x (δεξιά) πάχους 1 nm, που αναπτύχθηκαν πάνω σε γυαλί με αρχική στρώση Pt ή Pd πάχους 4nm αντίστοιχα. Οι μετρήσεις έγιναν με VSM σε Τ=3Κ [27]. H παραπάνω μελέτη έδειξε ότι σημαντική συνεισφορά στον μηχανισμό της ΚΜΑ προέρχεται από τον υβριδισμό των 3d καταστάσεων του Co με τις 5d καταστάσεις τις Pt και τις 4d καταστάσεις του Pd για τα κράματα Co 1-x Pt x και Co 1-x Pd x αντιστοιχα. Ακόμα, βρέθηκε ότι κατά την ανάπτυξη των κραμάτων αυτών δημιουργούνται ανομοιογένειες στη δομή, έχοντας ως επακόλουθο τη δημιουργία εσωτερικών διεπιφανειών ανάμεσα σε περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση Co και περιοχές με μεγάλη συγκέντρωση Pt ή Pd, που επίσης συνεισφέρουν στον μηχανισμό της ΚΜΑ. Τέλος, τα κράματα Co 1-x Pt x και Co 1-x Pd x, έχουν τον εύκολο άξονα μαγνήτισης κάθετα στο επίπεδο του υμενίου για ένα μεγάλο εύρος συστάσεων (x Pt.5, x Pd.4). 1.1 Η ΚΑΤΑ ΣΤΡΩΣΕΙΣ ΚΡΑΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ Στις προηγούμενες ενότητες παρουσιάστηκαν οι ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά των πολυστρωματικών συστημάτων Pt/Co, Pd/Co καθώς και των αντίστοιχων κραμάτων Co x Pt 1-x και Co x Pd 1-x. Συγκριτική μελέτη [31] των κραμάτων Co x Pt 1-x και των πολυστρωματικών υμενίων Pt m /Co n, έχει δείξει ότι τα πρώτα παρουσιάζουν υψηλότερες τιμές της μαγνητοοπτικής στροφής Kerr σε συγκεντρώσεις Co στην περιοχή 4-6 at.%, ενώ στα δεύτερα εμφανίζεται ευκολότερα κάθετη μαγνητική ανισοτροπία για σχετικά μικρές τιμές του n. Oι δύο αυτές ιδιότητες αποτελούν βασική προϋπόθεση για την εγγραφή πληροφορίας με υψηλή πυκνότητα. Στα πλαίσια διαφόρων ερευνών, έχουν γίνει πολλές προσπάθειες στην κατεύθυνση της βελτίωσης των μαγνητικών και μαγνητοοπτικών χαρακτηριστικών των πολυστρωματικών υμενίων X/Co (όπου X=Pt ή Pd). Ταυτόχρονα, γίνονται προσπάθειες να μειωθεί η σχετικά Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 22

31 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. υψηλή τους θερμοκρασία Curie σε μέγεθος όχι πολύ υψηλότερο από τη θερμοκρασία δωματίου, όπως απαιτούν οι σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές. Μία τέτοια προσπάθεια πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο μας και περιλάμβανε την κραματοποίηση των στρώσεων του Co με Pt ή Pd [32], [33], [34], [35], Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, πραγματοποιήθηκε η δομική και μαγνητική μελέτη ενός νέου τύπου πολυστρωματικών υμενίων, όπου ένα από τα δύο συστατικά είναι σε μορφή κράματος. Πρόκειται δηλαδή για υβριδικές δομές τύπου Α m /[AB] n, οι οποίες συνδυάζουν τις ιδιότητες των πολυστρωματικών υμενίων με αυτές των αντίστοιχων κραμάτων. Τέτοιες δομές εμφανίζουν ενδιαφέροντα τεχνολογικά χαρακτηριστικά όπως σημαντική μαγνητοοπτική απόκριση, κάθετη μαγνητική ανισοτροπία και ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης. Μελετήθηκαν οι ακόλουθες σειρές πολυστρωματικών υμενίων με κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών: Pt m /[Co x Pt 1-x ] n, [Co x Pt 1-x ] m /Co n, [Co x Pd 1-x ] m /Co n και Pd m /[Co x Pd 1-x ] n. Η μελέτη των υμενίων αυτών, γινόταν πάντα σε σύγκριση με το συμβατικό σύστημα αναφοράς Pt m /Co n με στόχο την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων. Παρακάτω, παρουσιάζονται κάποια βιβλιογραφικά στοιχεία για τα συστήματα αυτά, από σχετικές έρευνες που έχουν γίνει. Στην έρευνα των Poulopoulos et al. [34], μελετήθηκε η επίδραση της κατά στρώσεως κραματοποίησης σε σε πολυστρωματικά υμένια Pt/Co που αναπτύχθηκαν με την τεχνική της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation). Από πειράματα XRD βρέθηκε ότι αυξάνοντας τον βαθμό της κραματοποίησης (μείωση της at.% συγκέντρωσης του Co στην κραματοποιημένη στρώση), η πολυστρωματική διαμόρφωση του συστήματος Pt m /[CoPt] n υποβαθμίζεται σε σχέση με το δυαδικό σύστημα Pt m /Co n. Συγκεκριμένα, τα δείγματα με κατά-στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών εμφανίζουν διαγράμματα ακτίνων-χ με λιγότερες δορυφορικές ανακλάσεις τόσο στις μικρές, όσο και στις μεγαλύτερες γωνίες. Κάτι τέτοιο είναι αναμενόμενο αφού δείγματα με κατά-στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών παρουσιάζουν ένα προφίλ σύστασης παρόμοιο με αυτό των πολυστρωματικών υμενίων με συστατικά αμιγή στοιχεία, αλλά με μεγάλο βαθμό ενδοδιάχυσης των συστατικών διαμέσου των ενδοεπιφανειών. Το συμπέρασμα αυτό φαίνεται στο παρακάτω σχήμα 1.11, τόσο στα πειραματικά (δείγματα Pt 2 /[Co 7 Pt 3 ] 2, Pt 2 /[Co 4 Pt 6 ] 2 ) όσο και στα θεωρητικά (δείγματα Pt 2 /Co 2, Pt 2 /[Co 7 Pt 3 ] 2, Pt 2 /[Co 4 Pt 6 ] 2 ) φάσματα XRD. Τα δείγματα αυτά είναι ανεπτυγμένα πάνω σε γυαλί. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 23

32 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Σχήμα 1.11: Πειραματικά θ-2θ XRD φάσματα για δείγματα Pt 2 /[Co 7 Pt 3 ] 2 (λεπτή γραμμή) και Pt 2 /[Co 4 Pt 6 ] 2 (έντονη γραμμή). Στο ένθετο σχήμα παρατίθενται τα θεωρητικά υπολογισμένα φάσματα για τρία δείγματα (από επάνω προς τα κάτω): Pt 2 /Co 2, Pt 2 /[Co 7 Pt 3 ] 2 και Pt 2 /[Co 4 Pt 6 ] 2 [34]. Πειράματα μαγνητομετρίας VSM (T=3K) και SQUID (T=1-3K) έδειξαν ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης των υμενίων με κατά στρώσεις κραματοποίηση (Τ=3Κ) σε σχέση με το bulk Co σε αρκετές περιπτώσεις. Σε θερμοκρασία T=1K, η μαγνήτιση ενισχύεται σε όλα τα δείγματα έως και 9% σε σχέση με το bulk Co, όπως φαίνεται στον πίνακα 1.4. Η ενίσχυση της μαγνήτισης αποδόθηκε τόσο στις επαγόμενες μαγνητικές ροπές της Pt, όσο και στις ενισχυμενες μαγνητικές ροπές του Co, σύμφωνα με πειράματα μαγνητικού κυκλικού διχρωισμού ακτίνων-χ (XMCD). Τέλος, διαπιστώθηκε ενίσχυση της μαγνητοοπτικής απόκρισης των κατά στρώσεως κραματοποιημένων πολυστρωματικών υμενίων. Συμπερασματικά, οι μαγνητικές ιδιότητες τω υμενίων εξαρτώνται ισχυρά από την ρύθμιση των παραμέτρων διαμόρφωσης. Πίνακας 1.4: Τιμές μαγνήτισης σε T=3K και T=1K για μία σειρά πολυστρωματικών υμενίων βασισμένα στον συνδυασμό Pt και Co που αναπτύχθηκαν σε πολυιμίδιο[34]. Δείγμα Μαγνήτιση (Τ=3Κ) (emu/cm 3 Co) Μαγνήτιση (Τ=1Κ) (emu/cm 3 Co) Pt 2 /[Co 7 Pt 3 ] Pt 2.5 /[Co 42 Pt 58 ] Pt 2 /[Co 44 Pt 56 ] Pt 2 /[Co 45 Pt 55 ] Pt 3.5 /Co Bulk Co Pt 4 /[Co 4 Pt 6 ] Co 1 /[Co 45 Pt 55 ] Pt 2 /[Co 47 Pt 53 ] Pt 2 /[Co 45 Pt 55 ] Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 24

33 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Χαρακτηριστική είναι η μελέτη των Poulopoulos et al. [35] για το σύστημα Pd/CoPd. Στο σύστημα αυτό αναμένεται η ανάπτυξη κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας σε μεγαλύτερα πάχη του μαγνητικού υλικού για δύο λόγους: (α) τα στρώματα Pd προσαρμόζονται καλύτερα με εκείνα του CoPd σε σχέση με του καθαρού Co, και (β) η μικρότερη μαγνήτιση των στρωμάτων CoPd οδηγεί σε μικρότερη ανισοτροπία σχήματος που είναι ο κυριότερος ανταγωνιστικός μηχανισμός της κάθετης ανισοτροπίας. Επίσης είναι αξιοσημείωτη η απουσία κολωνοειδούς ανάπτυξης σε αντίθεση με ανάλογες εργασίες, καθώς και η έλλειψη δομικών ατελειών στις ενδοεπιφάνειες Pd/CoPd και στην ενδοεπιφάνεια μεταξύ πολυστρωματικού υμενίου-υποστρώματος, γεγονός που μπορεί να δικαιολογηθεί από την καλύτερη προσαρμογή των υλικών λόγω κραματοποίησης του ενός συστατικού με το άλλο συστατικό. Στο σχήμα 1.12, παρουσιάζονται βρόχοι υστέρησης που λήφθηκαν με μαγνητομετρία SQUID για τρία πολυστρωματικά υμένια Pd/CoPd αναπτυγμένα πάνω σε πολυιμίδιο (kapton) με το μαγνητικό πεδίο στο επίπεδο του δείγματος (ανοικτά σύμβολα) και κάθετα σε αυτό (κλειστά σύμβολα). Από το σχήμα αυτό βγαίνει το συμπέρασμα ότι ο άξονας εύκολης μαγνήτισης συμπίπτει με τον κάθετο στο επίπεδο του δείγματος για όλα τα δείγματα. Το μέγιστο πεδίο των 15 koe δεν ήταν αρκετό για να φέρει τα δείγματα σε κατάσταση κόρου στην παράλληλη γεωμετρία. Η παραμένουσα μαγνήτιση είναι σχεδόν ίση με τη μαγνήτιση κόρου δίνοντας λόγο τετραγωνικότητας 1 στα δείγματα με τα παχύτερα μαγνητικά στρώματα (5.8 και 3.8 αντίστοιχα). Το συνεκτικό πεδίο για το πρώτο δείγμα είναι ~1.5 koe. Τα χαρακτηριστικά που μόλις περιγράψαμε καθιστούν τα δείγματα αυτά σοβαρούς υποψήφιους σε εφαρμογές μαγνητο-οπτικής εγγραφής. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 25

34 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Σχήμα 1.12: Βρόχοι υστέρησης σε θερμοκρασία δωματίου για τρία δείγματα με μεταβαλλόμενα πάχη μαγνητικού υλικού: (a) 5.8, (b) 3.8 και (c) 2.2 ατομικά επίπεδα CoPd σε κάθε περίοδο διαμόρφωσης. Οι μετρήσεις έγιναν με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο να είναι παράλληλο (ανοιχτά σύμβολα) και κάθετο στο επίπεδο του δείγματος (κλειστά σύμβολα) [35]. Στη συνέχεια συγκεντρώνουμε τα αποτελέσματα τις βιβλιογραφικής αναζήτησης στον πίνακα 1.5. Το πλήθος των ερευνητικών εργασιών καταδεικνύει την σπουδαιότητα των συγκεκριμένων συνδυασμών υλικών. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 26

35 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Pd/Co multilayers t co =4-13Å, T total film thickness =3-2 Å Υπόστρωμα: γυαλί, πολυιμίδιο (Kapton) [9] Rf sputtering, XRD, EDX (Energy Dispersive X- ray Analysis), VSM Kάθετη Mαγνητική Aνισοτροπία για t co <8 Å Τα καλύτερα δείγματα εμφανίζουν M s =5 emu/cm 3, H c =55 Oe (για Τ=3Κ). Η ΚΜΑ αποδίδεται στην επιφανειακή ανισοτροπία των διεπιφανειών Pd/Co και στις τάσεις (strain) των στρωμάτων Co. Μετά από ανόπτηση για 2h στους 4 o C ελαττώνεται η ΚΜΑ λόγω κραματοποίησης και ενδοδιάχυσης στις διεπιφάνειες Pd/Co. Co/Pd(111) multilayers [Co x Å+Pd 24 Å]x13 x=3.2, 5, 12.5, 16.5, 23, 29 Υπόστρωμα: Si/SiO(15 Å) [26] Alternating evaporation, PEXAFS (polarized extended X-ray absorption fine structure),tem, VSM Kάθετη Μαγνητική Aνισοτροπία για για t Co =3.2 Å και t Co =5 Å Λόγοι ανάπτυξης ΚΜΑ: Κραματοποιημένες φάσεις Co-Pd στις ενδοεπιφάνειες σε συνδυασμό με τις επαγόμενες εφελκυστικές τάσεις που αναπτύσσονται στο επίπεδο του υμενίου. Intentionally alloyed Pt/Co multilayers Pt m /[Co x Pt 1-x ] n, Co m /[Co x Pt 1-x ] n, Pt m /Co n Υπόστρωμα: Γυαλί, Si, Πολυιμίδιο με buffer Pt πάχους 25-4 nm Overlayer: Pt, x=45±5, x=7±5 at.% [34] E-beam Evaporation, XRD, VSM, SQUID, MOKE, XMCD (X-ray Magnetic Circular Dichroism) Ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης ~2 emu/cm 3 Co (T=3K) για το δείγμα Pt 2 /[Co 7 PT 3 ] 2 Περαιτέρω ενίσχυση της μαγνήτισης σε χαμηλές θερμοκρασίες (Τ=1Κ) έως και 9% σε σχέση με το bulk Co. Ενισχυμένη μαγνητοοπτική απόκριση. ΚΜΑ Intentionally alloyed Pd/Co multilayers Pd m /[Co x Pd 1-x ] n Υπόστρωμα: Γυαλί, Si, Πολυιμίδιο με buffer Pd πάχους 3 nm Overlayer: Pd, m 15, n= 2-6, x=6±5 at.% [35] E-beam Evaporation, XRD, TEM, SQUID Υψηλή ΚΜΑ, πολύ καλή πολυστρωματική διαμόρφωση, τετραγωνικότητα βρόχων. Καμία ένδειξη κολωνοειδούς ανάπτυξης. (111) ανάπτυξη. Για πολύ λεπτές στρώσεις μαγνητικού υλικού, μείωση της παραμένουσας μαγνήτισης σε Τ=3Κ λόγω προσέγγισης της θερμοκρασίας Curie. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 27

36 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Co/Pt multilayers Υπόστρωμα: Γυαλί, fused quartz, Si Co/Pt(111) σε υπόστρωμα GaAs(111), Co/Pt(11) και Co/Pt(1) σε υπόστρωμα GaAs(1) Buffer layer Pt(111) πάχους 2 Å (σε ορισμένα δείγματα) [36] CoPt:C nanocomposite films Νανοκρυσταλλίτες Co 5 -Pt 5 (fct) μεγέθους 8-2 nm μέσα σε μήτρα C. Συγκέντρωση C στο εύρος 3-8 vol% Υπόστρωμα: Si(1) με buffer C πάχους 2 nm Overlayer C πάχους 2 nm [37] E-beam evaporation, Sputtering, MBE (molecular beam epitaxy), XRD, XRF (X-ray Fluorescence), RBS (Rutherford Backscattering Spectroscopy), TEM, VSM, Polar Kerr Spectrometer Sputtering, XRD, TEM, Alternating Gradient Force Magnetometer, SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) Magnetometer Παρατηρήθηκε μέγιστη ΚΜΑ για 1-2 ατομικά επίπεδα Co και για υμένια Co/Pt με την (111) διεύθυνση της Pt παράλληλη στο επίπεδο του υμενίου. Ισχυρή εξάρτηση της ΚΜΑ από τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. MBE grown [Co (3.7Å)/Pt(1)(16.8 Å)], [Co (3.7Å)/Pt(11)(16.8 Å)]: παράλληλη ανισοτροπία. Ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης για υπέρλεπτες στρώσεις Co. [Co(3 Å)/Pt(1 Å)], Μ s =185 emu/cm 3 Co, περίπου 3% μεγαλύτερη από την Μ s του συμπαγούς Co (Μ s =142 emu/cm 3 Co) σε Τ=3Κ Εξαιρετική χημική σταθερότητα Τιμές συνεκτικού πεδίου H c =3-12 koe. H συνεκτικότητα και το μέγεθος των κόκκων αυξάνονται με αύξηση της θερμοκρασία ανόπτησης και ελάττωση της συγκέντρωσης C. Θερμική σταθερότητα, χαμηλός θόρυβος Co 1-x Pt x alloy thin films x.5 Υπόστρωμα: fused silica, MgO(111), Al 2 O 3 (1), Al 2 O 3 (11-2) Συνολικό πάχος υμενίου ~1 Å [38] E-beam Evaporation, XRD VSM, Alternating Gradient Force Magnetometer, Torque Magnetometer, MOKE Υψηλές τιμές της σταθεράς κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας K u για το κράμα Co 75 Pt 25 της τάξεως των 1 7 erg/cm 3 σε θερμοκρασία δωματίου. (θερμοκρασία εναπόθεσης T s =23-45 o C) Ενισχυμένη στροφή Kerr στα ~3. ev [Co(4.75Å)/Pd(14.25Å)] multilayers Υπόστρωμα: Si [39] Magnetron Sputtering, MFM (Magnetic Force Microscopy), XRD, TEM, AFM (Atomic Force Microspopy), VSM Εμφανιση ΚΜΑ για t Co <8 Å λόγω διάσπασης της συμμετρίας στις διεπιφάνειες Pd/Co Μαγνητικές περιοχές μεγέθους ~1 nm Domain-wall energy 14mJ/m 2 Μέγιστη τίμη M s =2452 ka/m και Hc=14.3 ka/m για N=1 Μέγιστη τίμη M r =584 ka/m για N=7 Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 28

37 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. ΔΕΙΓΜΑΤΑ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Co 1-x Pt x alloy thin films.45 x.9 συνολικού πάχους 25 nm Υπόστρωμα: fused silica, Si(1) με buffer Pt πάχους 4 nm [4] E-beam evaporation, XRD, XRF, VSM, Torque Magnetometer Υψηλή ΚΜΑ, τετραγωνικότητα βρόχου (Μr/Ms = 1%), H c = 16 ka/m Αύξηση του H c από 4 σε 24 ka/m (.5-3 koe) στην περίπτωση που το υπόστρωμα είναι fused silica με buffer Pt Τα fcc(111) επίπεδα είναι προσανατολισμένα παράλληλα στην επιφάνεια του υμενίου Ενισχυμένη μαγνητο-οπτική απόκριση έως και 5% σε σχέση με τα αντίστοιχα πολυστρωματικά υμένια Co/Pt Στο κράμα Co ~22 Pt ~78 παρατηρήθηκε θερμοκρασία Curie Τc 2 o C Υψηλή χημική σταθερότητα, ευκολία στην κατασκευή Co/Pd multilayers Διαμόρφωση των υμενίων σε νησίδες μεγέθους 2 nm (patterned multilayers) Yπόστρωμα: SiO με buffer Ta πάχους 5nm για ενίσχυση των αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής [41] Magnetron Sputtering, Ion Beam Proximity Lithography, XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy), MOKE Εμφάνιση ΚΜΑ που αποδίδεται στον υβριδισμό των d καταστάσεων στις διεπιφάνειες Co/Pd [Co(3.2Å)/Pd(6.3Å)]x3 Σημαντική ενίσχυση της συνεκτικότητας (H c ~1 koe) στα διαμορφωμένα multilayers σε σχέση με τα συνεχή, λόγω της δημιουργίας τεχνητών μαγνητικών περιοχών. M s =45 emu/cm 3 {[Co(.3 nm)-pd(y)]/pd (2.-y)nm}x15 Με y=,.1,.3,.5, 1, 1.5, 2. Υπόστρωμα: Si(1) με buffer Pd πάχους 2 nm [42] Dc Magnetron Sputtering, XRD, EXAFS (Extended X-ray Absorption Fine Structure), Alternating Gradient Magnetometer, Reflectivity Measurements Ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης λόγω της επαγόμενης μαγνητικής ροπής στα άτομα Pd Για y=.5 nm, η ΚΜΑ παραμένει σχεδόν ίδια με τα αντίστοιχα Co/Pd multilayers. Αυτό σημαίνει ότι στις ενδοεπιφάνειες των Co/Pd multilayers σχηματίζεται κράμα Co-Pd ανάμεσα σε δύο ατομικά επίπεδα Pd. H KMA στα κατά-στρώσεις κραματοποιημένα υμένια, εξηγείται από το μαγνητοελαστικό φαινόμενο. Τιμές ΚΜΑ στο εύρος 2.3x1 5 J/m 3 3.5x1 5 J/m 3 Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 29

38 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» 1.11 ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ-ΣΤΟΧΟΙ ΕΡΓΑΣΙΑΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τον ρόλο της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co και περιλαμβάνει τη μελέτη μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων με κύριο συστατικό το Co ή κράμα αυτού (CoPt ή CoPd), σε συνδυασμό με ευγενή μέταλλα (Pt ή Pd). Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι να δείξει αν η κραματοποίηση των συστατικών ευνοεί δομικά η μαγνητικά το πολυστρωματικό σύστημα Χ/Co όπου Χ=Pd ή Pt. Ο χαρακτηρισμός των πρωτότυπων αυτών νανοϋλικών γίνεται με σκοπό την εύρεση των κατάλληλων παραμέτρων ώστε να βελτιστοποιηθεί η μαγνητική τους απόκριση ως μαγνητικά μέσα εγγραφής. Στα πλαίσια της εργασίας, μελετήθηκαν δομικά και μαγνητικά τα συστήματα Pt m /Co n, Pt m /[Co x Pt 1-x ] n, [Co x Pt 1-x ] m /Co n, [Co x Pd 1-x ] m /Co n και Pd m /[Co x Pd 1-x ] n, τα οποία αναπτύχθηκαν πάνω σε γυαλί, σε θάλαμο υπερυψηλού κενού (UHV) με την τεχνική της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation). Ο δομικός χαρακτηρισμός έγινε με περίθλαση ακτίνων-χ (XRD) για τον προσδιορισμό των παραμέτρων διαμόρφωσης (m, n, Λ) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) για τον υπολογισμό της σύστασης του κράματος και άρα του ποσοστού μαγνητικού υλικού. Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός έγινε με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (VSM) με στόχο την λήψη βρόχων υστέρησης σε διάφορες θερμοκρασίες (77-3K) και σε δύο κατευθύνσεις του μαγνητικού πεδίου, παράλληλα (in plane) και κάθετα (out of plane) στην επιφάνεια του πολυστρωματικού υμενίου. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε μέγιστο εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο 1.1 Tesla και τα δεδομένα κανονικοποιήθηκαν ως προς τον όγκο του μαγνητικού υλικού. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 3

39 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co ΜΕΘΟΔΟΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Γενικά, υπάρχουν τρεις τρόποι ανάπτυξης [43] πολυστρωματικών υμενίων και λαμβάνουν χώρα σε θάλαμο υπερυψηλού κενού (Ultra High Vacuum): Φυσική Εναπόθεση Ατμών ( Physical Vapor Deposition) Χημική Εναπόθεση Ατμών (Chemical Vapor Deposition) ΗλεκτροΑπόθεση (ElectroDeposition) Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι οι ρυθμοί ανάπτυξης εξαρτώνται ισχυρά (α) από την ποιότητα του κενού εντός του θαλάμου και (β) τη θερμοκρασία υποστρώματος κατά τη διάρκεια της. Τα μαγνητικά πολυστρωματικά υμένια που μελετήθηκαν σε αυτή την εργασία, αναπτύχθηκαν με την μέθοδο της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων (e-beam evaporation) σε συνθήκες υπερυψηλού κενού (UHV). Η μέθοδος αυτή υπάγεται στην φυσική εναπόθεση ατμών (PVD). Στο σχήμα 1.13 παρουσιάζεται η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη των δειγμάτων μας. Σχήμα 1.13: Διάταξη του συστήματος εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων, με το οποίο παρασκευάστηκαν τα υπό μελέτη δείγματα. Το σύστημα αποτελείται από: Θάλαμο υπερυψηλού κενού από ανοξείδωτο ατσάλι, τύπου VARIAN VT114B. Μία μηχανική αντλία μεμβράνης. Δύο αντλίες προσροφήσεως για την επίτευξη προκαταρκτικού κενού (1-3 Torr). Έξι αντλίες ιονισμού. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 31

40 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Δύο πυροβόλα δέσμης ηλεκτρονίων (electron guns) το ένα ενός και το άλλο τριών στόχων. Μία πηγή θερμικής εξάτμισης. Σύστημα εναλλασσόμενης διακοπής ροής υλικών. Σύστημα ελέγχου-καταγραφής παχών κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Σε αυτή την μέθοδο ανάπτυξης, το προς εναπόθεση υλικό (πηγή) βρίσκεται πάνω σε ειδική υδρόψυκτη θήκη από χαλκό και θερμαίνεται από δέσμη ηλεκτρονίων. Η δέσμη ηλεκτρονίων παράγεται από διάπυρο νήμα βολφραμίου και καμπυλώνεται από το μαγνητικό πεδίου ισχυρού μόνιμου μαγνήτη που την εστιάζει στο δείγμα. Επιταχύνεται σε διαφορά δυναμικού 3 KeV και έχει ένταση μερικών Amperes. Καθώς η επιφάνεια της πηγής βομβαρδίζεται από την δέσμη, το 85% περίπου της κινητικής της ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική και σε θερμοκρασία 3-45 K έχουμε το ξεκίνημα της διαδικασίας. Οι ατμοί του υλικού, όταν τους το επιτρέπει ειδικό κλείστρο ή ακόμα και διακόπτης, οδηγούνται στο υπόστρωμα όπου και συμπυκνώνονται. Τα δείγματα αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα γυαλιού σε συνθήκες υπερηψηλού κενού με πίεση (base pressure) της τάξης των 1-9 mbar. Πριν την ανάπτυξη του υμενίου, γινόταν πάντα εναπόθεση ενός αρχικού στρώματος (buffer layer) ευγενούς μετάλλου (Pt ή Pd) πάχους 12-2 Å με στόχο την βελτίωση της κρυσταλλικότητας. Στην συνέχεια, η ανάπτυξη της πολυστρωματικής δομής επιτυγχάνεται με ένα κινούμενο χώρισμα (shutter), το οποίο διακόπτει περιοδικά την μία ή την άλλη ροη. Ένα σύστημα που αποτελείται από κρυστάλλους χαλαζία, το INFICON XTC, ελέγχει με μεγάλη ακρίβεια τους ρυθμούς ροής των υλικών που εναποτίθενται. Οι ρυθμοί διατηρήθηκαν σταθεροί κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης και κυμαίνονταν μεταξύ.5-.1 nm/s. Μετά το πέρας της ανάπτυξης, γινόταν πάντα η εναπόθεση ενός στρώματος Pt ή Pd ή Co πάχους 5-1 Å (ανάλογα με το δείγμα) με στόχο την προστασία των δειγμάτων από την διάβρωση και την οξείδωση. Οι αριθμοί m, n των ατομικών επιπέδων των επιμέρους υλικών κυμαίνονταν από 1 έως 11. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 32

41 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΔΕΙΓΜΑΤΩΝ Περίθλαση ακτίνων-χ (X-ray Diffraction-XRD) Ο χαρακτηρισμός της δομής των πολυστρωματικών υμενίων που βασίζονται στο Co και την Pt ή το Pd, έγινε με την τεχνική της περίθλαση ακτίνων-χ (XRD). Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το υδρόψυκτο περιθλασίμετρο Philips PW182 που βρίσκεται στο Εργαστήριο Εδαφολογίας του τμήματος Γεωπονίας Α.Π.Θ. (σχήμα 1.14). Τα βασικά χαρακτηριστικά του συστήματος καθώς και οι κυριότερες παράμετροι των μετρήσεων συνοψίζονται στον πίνακα 1.6. Σχήμα 1.14: Το περιθλασίμετρο Philips PW182 που χρησιμοποιήθηκε για τον δομικό χαρακτηρισμό των δειγμάτων. Πίνακας 1.6: Βασικά χαρακτηριστικά του περιθλασίμετρου Philips PW182 XRD και παράμετροι των μετρήσεων. Τύπος περιθλασίμετρου PHILIPS PW182 Υλικό ανοδικού σωλήνα Χαλκός (Cu) Τάση Γεννήτριας 45 kv Ρεύμα Γεννήτριας 3 ma Μήκος Κύματος Ακτίνων-Χ 1.54Å Μονοχρωμάτορας Από Γραφίτη Πεδίο Τιμών της Γωνίας Πρόσπτωσης 2θ 3-1 ο Βήμα μεταβολής της Γωνίας Πρόσπτωσης.5-.1 ο Λογισμικό Ανάλυσης PHILIPS PC-APD Η περίθλαση ακτινών-χ αποτελεί μια από τις βασικότερες μεθόδους χαρακτηρισμού της κρυσταλλικής δομής. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το μήκος κύματος των ακτινών-χ είναι περίπου ίσο με το μήκος των ενδοατομικών αποστάσεων ενός κρυστάλλου. Το μετρούμενο μέγεθος είναι η ένταση I της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας-χ συναρτήσει της γωνίας 2θ. Η μέθοδος είναι μη καταστροφική και μας δίνει πληροφορίες για την πολυστρωματικότητα του Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 33

42 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» υμενίου, την σύσταση, την κύρια διεύθυνση ανάπτυξης, καθώς και την ποιότητα της διαμόρφωσης, δηλαδή αν υπάρχουν φαινόμενα ενδοδιάχυσης. Σε ένα περιθλασίμετρο η παραγωγή των ακτινών-χ γίνεται από μία λυχνία όπου μια δέσμη ηλεκτρονίων υπό υψηλή τάση προσκρούει σε ένα στόχο. Οι ακτίνες-x αφού διέλθουν από ένα διάφραγμα και μια σχισμή εστίασης, κατευθύνονται στο δείγμα. Το δείγμα συγκρατείται με ειδική τράπεζα, έτσι ώστε ο άξονας του περιθλασίμετρου να εφάπτεται συνεχώς στην επιφάνειά του. Για να έχουμε συνεχή επαφή, το δείγμα διαμορφώνεται σε επίπεδο σχήμα διαστάσεων περίπου 1 2 cm 2 και πάχους.2 2 mm. Μετά την έξοδο της δέσμης από το χώρο του δείγματος περνάει από άλλες δύο σχισμές και ένα λεπτό έλασμα νικελίου, που απομακρύνει την ακτινοβολία Κ β και τη λευκή ακτινοβολία, πριν φτάσει στον ανιχνευτή. Ο ανιχνευτής κινείται σε ένα τόξο γωνιών συλλέγοντας τις περιθλώμενες δέσμες ακτινών-χ και μετατρέπει τα φωτόνια σε ηλεκτρικούς παλμούς που αναλύονται και μετρούνται παράγοντας το φάσμα συναρτήσει της γωνίας Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (Scanning Electron Microscope-SEM) Στα πλαίσια του δομικού χαρακτηρισμού, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) JEOL JSM 84Α (σχήμα 1.15), με στόχο την απεικόνιση της τοπογραφίας, την στοιχειομετρική ανάλυση και τον προσδιορισμό της σύστασης του κράματος (και άρα το ποσοστό μαγνητικού υλικού) για όσα δείγματα είχαν το ένα από τα δύο συστατικά κραματοποιημένο. Σχήμα 1.15:To ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) JEOL JSM 84Α. Ένα τυπικό SEM μικροσκόπιο αποτελείται από τα εξής μέρη: Ένα πολυβόλο ηλεκτρονίων. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 34

43 Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co. Ένα σύστημα ανίχνευσης ηλεκτρονίων καθώς και μια μονάδα απεικόνισης. Ένα σύστημα κενού (1-5 Torr) Σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) παράγεται δέσμη ηλεκτρονίων από πηγή που βρίσκεται στο ηλεκτρονικό οπτικό τμήμα και από εκεί επιταχύνεται με διαφορά δυναμικού και εστιάζεται στο εκάστοτε δείγμα. Στη συνέχεια η ηλεκτρονική δέσμη, με τη βοήθεια συστήματος πηνίων, σαρώνει την επιφάνεια του δείγματος. Όταν μία ηλεκτρονική δέσμη προσπίπτει σε επιφάνεια υλικού, τότε πυροδοτεί πλήθος φαινομένων και το υλικό εκπέμπει ακτίνες Χ, δευτερογενή, οπισθοσκεδαζόμενα και άλλου είδους ηλεκτρόνια. Σε κάθε σημείο της επιφάνειας που σαρώνεται από τη δέσμη των ηλεκτρονίων, κατάλληλοι ανιχνευτές, συλλέγουν τα οπισθοσκεδαζόμενα ηλεκτρόνια, τα οποία ενισχύονται και οδηγούνται σε μία φθορίζουσα οθόνη καθοδικού σωλήνα (cathode ray tube-crt), καθώς αυτή σαρώνεται με τον ίδιο ρυθμό με το δείγμα. Η μεγέθυνση ορίζεται ως το εμβαδόν της οθόνης προς το εμβαδόν της περιοχής όπου σαρώνεται. Η επιφάνεια του δείγματος εμφανίζεται μεγεθυμένη έως και 1 φορές. Η όλη διάταξη βρίσκεται σε κοίλο μεταλλικό κύλινδρο. Τέλος, με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης μπορούν να δοθούν πληροφορίες και για την κρυσταλλικότητα του δείγματος [44] Μαγνητόμετρο δονούμενου δείγματος (Vibrating Sample Magnetometer-VSM) Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός των πολυστρωματικών υμενίων που μελέτήθηκαν, περιλαμβάνει την καταγραφή των βρόχων υστέρησης των δειγμάτων με την τεχνική της μαγνητομετρίας δονούμενου δείγματος (VSM), από όπου αντλούνται πληροφορίες όπως η μαγνήτιση κόρου (M s ), το πεδίο κόρου (H s ), το συνεκτικό πεδίο (H c ), η παραμένουσα μαγνήτιση (M r ) και η τετραγωνικότητα του βρόχου (S=M r /M s ). H λειτουργία του μαγνητόμετρου βασίζεται στο νόμο του Faraday. Το προς μέτρηση δείγμα βρίσκεται μέσα σε δειγματοδόχη και είναι κεντραρισμένο ως προς τέσσερα μικρά πηνία που ονομάζονται πηνία μέτρησης (pick up coils). Το δείγμα μαγνητίζεται με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνήτη, ο οποίος παράγει ομογενές μαγνητικό πεδίο σταθερής έντασης κάθετο στην επιφάνεια των πηνίων μέτρησης. Το άλλο άκρο της δειγματοδόχης είναι συνδεδεμένο με ηλεκτρομηχανικό ταλαντωτή χαμηλών συχνοτήτων (6 Hz), με αποτέλεσμα το δείγμα να ταλαντώνεται κάθετα στη διεύθυνση του ομογενούς μαγνητικού πεδίου. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 35

44 Διπλωματική Εργασία-ΠΜΣ «Φυσική και Τεχνολογία Υλικών» Σχήμα 1.16: Το μαγνητόμετρο δονούμενο δείγματος που χρησιμοποιήθηκε για την λήψη βρόχων υστέρησης σε διάφορες θερμοκρασίες. H μαγνητική ροή που διέρχεται από τα πηνία μέτρησης προέρχεται αφενός από το πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη το οποίο είναι χρονικά σταθερό, αφετέρου από το ταλαντούμενο μαγνητισμένο δείγμα. Λόγω του νόμου του Faraday, επάγεται στα πηνία ηλεκτρεγερτική δύναμη ανάλογη της μαγνητικής ροπής του δείγματος, του πλάτους και της συχνότητας ταλάντωσης. Το σήμα αυτό προενισχύεται και κατόπιν οδηγείται σε έναν Lock-in Amplifier, ταυτόχρονα με ένα σήμα αναφοράς από τον ηλεκτρομηχανικό ταλαντωτή. O ενισχυτής αυτός έχει τη ιδιότητα να απομονώνει τον ανεπιθύμητο θόρυβο και να ενισχύει μόνο εκείνο το σήμα πού έχει την ίδια φάση και συχνότητα με το σήμα αναφοράς. Στην έξοδο του ενισχυτή το σήμα, αφού ολοκληρωθεί, είναι ανάλογο της μαγνητικής ροπής του δείγματος. H σταθερά αναλογίας είναι γνωστή από τη βαθμονόμηση του μαγνητόμετρου [45]. Το μαγνητόμετρου δονούμενου δείγματος που χρησιμοποιήθηκε μπορεί να παράγει μαγνητικό πεδίο μέχρι και 1.1 Tesla. Γιανναράκης Γιάννης Σελίδα 36