Ni/Cu çok katmanlı ince filmlerin püskürtme tekniğiyle üretilmesi ve karakterizasyonu

Abstract

Bu çalışmada, doğru akım (DC) püskürtme tekniği kullanılarak Ni/Cu çok katmanlı manyetik ince filmleri üretildi. Filmler üretilirken Cu tabaka kalınlığı, toplam film kalınlığı, Ni depozisyon hızı, Ni tabaka kalınlığı değiştirildi ve bu değişimlerin filmlerin yapısal ve manyetik özellikleri üzerindeki etkileri araştırıldı. Manyetik ince filmler asetat alt tabaka üzerine büyütüldü. Bu filmlerin elementel analizi enerji ayırmalı X-ışını spektroskopisi, yapısal analizi X-ışını difraksiyonu ve taramalı elektron mikroskobu, manyetik analizi ise titreşimli numune manyetometresi ile yapıldı. Birinci seride, Cu tabaka kalınlığı 200 nm'den 0 nm'ye kadar azalırken atomik Cu içeriğinin de azaldığı tespit edildi. Cu tabaka kalınlığının 15 nm ve altında olduğu filmlerde, Cu fcc (111) pikinin kaybolduğu, Ni fcc (200) pikinin oluştuğu ve şiddetinin arttığı gözlendi. Ayrıca, Cu tabaka kalınlığı azaldıkça film yüzeyindeki taneli yapılar kaybolmuş ve yüzey çizgisel formda izlenmiştir. Bunun yanı sıra, Cu tabaka kalınlığı azaldıkça Ni içeriğindeki artışa bağlı olarak doyum manyetizasyonu (Ms) değeri 180 emu/cm3'ten 2178 emu/cm3'e artmıştır. İncelenen ikinci seride, toplam film kalınlığı 120 nm'den 280 nm'ye arttıkça atomik Ni ve Cu içerikleri sırasıyla % 51 ve % 49 değerlerinde yaklaşık olarak sabit kalmıştır. Ayrıca, toplam kalınlığı en az olan filmin tek kristal yapıda büyüdüğü ve toplam film kalınlığı arttıkça Ni (111), Ni (200) ve Cu (111) düzlemlerine ait pik şiddetlerinin arttığı görülmüştür. Bununla birlikte, toplam kalınlığı en fazla olan filmin yüzeyindeki taneli yapıların, kalınlığı daha düşük olan filmlere göre, daha fazla olduğu ancak boyutlarının küçüldüğü görülmüştür. Toplam film kalınlığının değişmesiyle, Ms değerlerinde küçük değişiklikler olduğu anlaşılmıştır. Üçüncü seride, Ni depozisyon hızındaki değişimin filmlerin kristal fazında değişiklik oluşturmadığı ancak, depozisyon hızı arttıkça tanecik sayısı azaldığı için film yüzeyinin sadeleştiği gözlendi. Ni depozisyon hızının artmasıyla Ms ve koersivite (Hc) değerlerinde bir artış olduğu tespit edildi. Ni tabakanın farklı kalınlıklarının etkisinin incelendiği dördüncü seride, tabaka kalınlığı azaldıkça atomik Ni içeriği azalmış, bunun sonucunda Ni fcc (111) düzleminin pik şiddeti azalırken Cu fcc (111) düzleminin pik şiddeti artmıştır. Ni tabaka kalınlığı azaldıkça, film yüzeyinde görülen çatlakların azalarak kaybolduğu ve Ms ile Hc değerlerinin de azaldığı anlaşılmıştır. Buna göre, Ni/Cu çok katmanlı ince filmlerin yapısal ve manyetik özelliklerinin incelenen depozisyon parametrelerinin değişiminden etkilendiği bulunmuştur.

In this study, Ni/Cu magnetic multilayer thin films were produced by using direct current (DC) sputtering technique. During the film production, Cu layer thickness, total film thickness, Ni deposition rate and Ni layer thickness were changed and the effect of these changes on structural and magnetic properties of the films was investigated. The magnetic thin films were grown on an acetate substrate. The elementel analysis of the films was done by an energy dispersive x-ray spectroscopy and the structural analysis was done by an x-ray diffraction technique and a scanning electron microscope. The magnetic analysis was achieved by a vibrating sample magnetometer. In the first series, it was detected that atomic Cu content decreased when the Cu layer thickness decreased from 200 nm to 0 nm. For the Cu layer thickness of 15 nm and lower than 15 nm, the peak of Cu fcc (111) disappeared, the peak of Ni fcc (200) appeared and its intensity increased. Also, the grainy structure on the film surface vanished and the surface was observed in the striped form as the Cu layer thickness decreased. Besides, the saturation magnetization (Ms) value increased from 180 emu/cm3 to 2178 emu/cm3 depending on the increase in the Ni content as the Cu layer thickness decreased. In the second series investigated, the atomic Ni and Cu contents remained almost at the same value of 51 % and 49 %, respectively when the total film thickness increased from 120 nm to 280 nm. Also, it was detected that the film which has the lowest total thickness grew as a single crystal and the intensities of the Ni (111), Ni (200) and Cu (111) peaks increased as the total film thickness increased. In addition, the surface of the film with the highest thickness has a more grainy structure with lower grain dimension than those of the films with lower thickness. It was shown that Ms values slightly varied when the total film thickness changed. In the third series, it was observed that the change in the Ni deposition rate did not cause a change in the crystal phase of the films but, the film surface became simpler since the grain number decreased as the deposition rate increased. Ms and coercivity (Hc) values increased when the Ni deposition rate increased. In the fourth series where the effect of different thicknesses of Ni layer was investigated, atomic Ni content decreased as the layer thickness decreased, and hence the peak intensity of the Cu fcc (111) plane increased while that of the Ni fcc (111) plane decreased. It was found that the cracks in the film surface tailed off and, Ms and Hc values decreased as the Ni layer thickness decreased. To the results, the structural and magnetic properties of the Ni/Cu multilayer thin films were affected by the change in the investigated deposition parameters.