Ni/Al ince filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve optimizasyonu

Abstract

Bu çalışmanın amacı, çok katmanlı Ni/Al ince filmlerin saçtırma tekniğiyle farklı üretim parametreleri altında esnek akrilik asetat alt tabakalar üzerine üretimi, karakterize edilmesi ve bu filmlerin potansiyel uygulamalar için en yüksek doyum manyetizasyonuna (highest Saturation Magnetisation, hMS) sahip olmasını sağlayan üretim parametre seviyelerinin belirlenmesidir. İlk olarak, Ni/Al ince filmleri Ni biriktirme hızı (Ndr), Al katman kalınlığı (Alt) ve toplam film kalınlıkları (Tft) gibi farklı üretim parametreleri altında üretildi. Filmlerin enerji ayırımlı X-ışını spektroskopisi ile gerçekleştirilen içerik analizleri, Ndr’nin artışıyla Ni içeriğinin arttığını, Alt ve Tft’nin artışının ise Ni içeriğinde bir azalmaya sebep olduğunu gösterdi. Filmlerin Ni içeriklerindeki en yüksek değişime Alt’nin sebep olduğu bulundu. Sıyırma Açısında X-ışını Kırınımı ile yapılan yapısal analizler, tüm filmlerin Ni ve Al içerik miktarlarıyla orantılı olarak yüzey merkezli kübik yapıda büyüdüklerini gösterdi. Taramalı elektron mikroskobu ile gerçekleştirilen film yüzey görüntülemeleri, film yüzeylerinin Ndr ve Alt artışından ciddi şekilde etkilendiğini, ancak Tft artışından daha az etkilendiğini gösterdi. Film yüzeyleri Ndr ve Alt’nin artışıyla homojen ve pürüzsüz morfoloji sergilediği bulundu. Titreşimli numune manyetometresi ile yapılan manyetik analizlerde, Ndr’nin artışıyla filmlerin doyum manyetizasyonu (MS) değerlerinin arttığı, Alt ve Tft’nin artışıyla azaldığı bulundu. Daha sonra hMS değerine sahip film elde etmek için Taguchi Yöntemi optimizasyonda kullanıldı. Ni biriktirme oranı (Ndr), Al biriktirme oranı (Adr), Ni tabaka kalınlığı (Nlt) ve toplam film kalınlığı (Tft) giriş parametreleri olarak seçildi ve bir dizi deney gerçekleştirildi. Filmlerin MS tepkileri, hMS değerine sahip bir film elde etmek için “daha büyük daha iyidir” yaklaşımıyla analiz edildi. Sinyal/Gürültü oranları, hMS değerine sahip filmi elde etmek için gereken üretim parametrelerinin seviyelerini belirlemek için kullanıldı. Ayrıca, belirlenen parametrelerin seviyeleri ile bir doğrulama deneyi de yapılmış ve bu filmin MS değeri 528.6 emu/cm3 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak, okuma-yazma kafaları, mikro-elektromekanik sistemler, manyetik rastgele erişimli bellekler ve manyetik sensörler gibi potansiyel uygulamalar için çok katmanlı Ni/Al ince filmler saçtırma tekniğiyle olası hMS değerine sahip şekilde başarıyla üretildi.

The aim of this study is to production and characterize multilayer Ni/Al thin films on flexible acrylic acetate substrates by the sputtering technique and to determine the fabrication parameter levels that allow achieving the highest saturation magnetization (hMS) for potential applications. Firstly, Ni/Al thin films were produced with different important fabrication parameters such as Ni deposition rate (Ndr), Al layer thickness (Alt) and Total film thickness (Tft). Content analysis of the films performed by energy dispersive X-ray spectroscopy showed that the Ni content increased with the increase of Ndr, while the increase of Alt and Tft caused a decrease in the Ni content. It was found that the highest change in Ni content of the films was caused by Alt. Structural analysis by Grazing Incidence X-ray Diffraction showed that all films grew in a face-centered cubic structure proportional to the Ni and Al content amounts. Film surface imaging performed by scanning electron microscopy showed that the film surfaces were severely affected by the Ndr and Alt enhancement, however less affected from the increase in Tft. The film surfaces were found to exhibit homogeneous and smooth morphology with the increase of Ndr and Alt. In the magnetic analyses performed with the vibrating sample magnetometer, it was found that the saturation magnetization (MS) values of the films increased with the increase of Ndr and decreased with the increase of Alt and Tft. Afterwards, Taguchi Method was used in optimization to obtain film with hMS value. Ni deposition rate (Ndr), Al deposition rate (Adr), Ni layer thickness (Nlt) and Total film thickness (Tft) were chosen as input parameters and a series of experiments were carried out. The MS responses of films, were analyzed with the “larger is better” approach to obtain a film with hMS value. The Signal/Noise ratios were used to determine the levels of the production parameters required to obtain the film with the hMS value. In addition, a validation experiment was also carried out with the levels of the parameters determined and the MS value of this film was found to be 528.6 emu/cm3. Consequently, multilayer Ni/Al thin films with the possible hMS value were succesfully produced by the sputtering technique for potential applications such as read-write heads, micro-electromechanics systems, magnetic random-access memory, and magnetic sensors.