FeCl/Cu süperörgülerin DC püskürtme metoduyla hazırlanması, manyetik ve yapısal özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, FeCl/Cu çokkatmanlı filmleri DC magnetron püskürtme sistemi kullanılarak iki farklı film serisi olarak üretildi. İncelenen FeCl/Cu çokkatmanlı filmlerinin ilk serisi Cu katmanlarının farklı kalınlıkları dikkate alınarak üretildi ve filmlerin özellikleri üzerinde Cu tabakalarının farklı kalınlıklarının etkisi araştırıldı. Süperörgülerin elementel analizi enerji ayırmalı X-ışını spektroskopisi ile yapıldı. Cu katmanlarının kalınlıkları 0 nm' den 24 nm' ye artırıldığında filmlerin Cu içeriği de % 0' dan % 47'ye arttığı görüldü. X-ışınları difraksiyonu ile yapılan kristal yapı analizine göre, filmlerin Cu içeriği arttıkça, yüzey merkezli kübik yapının (111) düzlemine ait olan pikin şiddeti de artış gösterdi. Elde edilen taramalı elektron mikroskobu görüntüleri incelendiğinde kaliteli, homojen, parlak ve aynaya benzer yüzeyler gözlendi. Titreşimli numune manyetometresi ile yapılan manyetik ölçümler, Fe içeriğinin azalmasıyla filmlerin manyetizasyonun azaldığını belirledi. 20 kOe'lik dış manyetik alanda, Cu tabaka kalınlığı 24 nm olan film için manyetizasyon değeri 348 emu/cm3 iken, saf Fe filminin manyetizasyonu 1473 emu/cm3 olarak ölçüldü. FeCl/Cu süperörgülerinin ikinci serisi, ferromanyetik tabakaların düşük (0.02 nm/s) ve yüksek (0.08 nm/s) depozisyon oranları dikkate alınarak üretildi ve süperörgülerin özellikleri incelendi. Enerji ayırmalı X-ışını spektroskopisi ile yapılan elementel analizine göre, serinin tüm filmlerinde süperörgülerin Cu içeriği % 27 iken, Fe ve Cl içerikleri sırasıyla % 7 ve % 66 olarak tespit edildi. X- ışınları kırınımı tekniği ile yapılan yapısal karakterizasyonlar, süperörgülerde (111) düzlemli yüzey merkezli kübik ve (110) düzlemli cisim merkezli kübik yapının karışımı olan bir kristal yapının şekillendiğini gösterdi. Yüzey morfolojisi taramalı elektron mikroskobu ile analiz edildi ve yüzeylerin birbirini tutan ve parlak yapıda olduğu tespit edildi. Süperörgülerin yüzey pürüzlülük analizi atomik kuvvet mikroskobu ile yapıldı. Yüzeylerin yaklaşık olarak aynı pürüzlülüğe sahip olduğu gözlemlendi ve yüzeylerin ortalama pürüzlülük katsayısı ~29 nm olarak bulundu. Manyetik ölçümler, depozisyon oranı arttırıldığında manyetizasyonun ve koersivitenin arttığını ortaya çıkardı. Ayrıca bütün süperörgüler için, manyetik kolay eksen yönünün süperörgü düzleminde (düzleme paralel) olduğu bulundu. Sonuçlara göre, manyetik özelliklerdeki değişiklikler ferromanyetik tabakanın farklı depozisyon oranlarından kaynaklanan yapısal özelliklerdeki değişikliklere atfedilebilir.

In this study, FeCl/Cu multilayer films were produced by using a DC magnetron sputtering by considering two different film series. The first series of FeCl/Cu multilayers was deposited with different thicknesses of Cu layer. The effect of different thicknesses of Cu layer on the properties of the films was investigated. The compositional analysis of the superlattices was done by energy dispersive X-ray spectroscopy. The Cu content in the films gradually increased from 0 at.% to 47 at.% as the Cu layer thickness was increased from 0 nm to 24 nm. According to crystal structure analysis achieved by X-ray diffraction technique, the intensities of the peaks which belong to the face centered cubic (111) planes increased with increasing Cu content of the films. Qualified, homogeneous, bright and mirror-like surfaces were observed in all images obtained by a scanning electron microscope. Magnetic measurements done by a vibrating sample magnetometer indicated that magnetization of the films decreased with decreasing Fe content. The magnetization of the film without Cu was 1473 emu/cm3 while the value of 348 emu/cm3 was detected for the film with 24 nm Cu layer thickness when an external magnetic field of 20 kOe was applied. The second series of FeCl/Cu superlattices were grown by considering low (0.02 nm/s) and high (0.08 nm/s) deposition rates of ferromagnetic layer, and the properties of the superlattices were investigated. Compositional analysis of the superlattices by energy dispersive x-ray spectroscopy revealed that Fe and Cl contents were 7 at. % and 66 at. %, respectively while the Cu content of the superlattices was detected as 27 at. %. Structural characterizations by X-ray diffraction showed that a mixture of the face centered cubic (111) and the body centered cubic (110) structure formed in the superlattices. The surface morphology was exposed by a scanning electron microscope. The surfaces were coherent structure and bright. Surface roughness analysis of the superlattices was done by an atomic force microscope. The surfaces have almost same roughness and average roughness coefficient of surfaces was calculated as ~29 nm. The magnetic measurements revealed that the magnetization and the coercivity increased with increasing deposition rates. Also, the magnetic easy axis was found to be in the superlattice plane for all superlattices. According to results, the variations in the magnetic properties might be attributed to the structural changes caused by different deposition rates of ferromagnetic layer.