Elektrodepozisyonla büyütülen Ni-Co filmlerinin karakterizasyonu ve manyetorezistans davranışının incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, Ni-Co filmleri titanyum alttabaka üzerine elektrodepozisyon tekniği ile büyütülmüş ve yapısal, manyetik ve manyetorezistans (MR) davranışları araştırılmıştır. Çalışma, elektrodepozisyon tekniğinde oldukça önemli parametreler olan depozisyon potansiyeli, elektrolit pH'ı, film kalınlığı ve elektrolit konsantrasyonunun dikkate alınması ile gerçekleştirilmiştir. Elektrolit içerisindeki metallerin indirgenme potansiyelleri döngüsel voltammetri tekniği ile belirlenmiştir. Filmlerin büyüme mekanizmaları film depozisyonu esnasında kaydedilen akım-zaman geçişleri ile incelenmiştir. Enerji ayırmalı x-ışını spektroskopisi ile yapılan elementel analiz sonuçları, filmlerdeki Ni:Co oranlarının depozisyon potansiyeli, elektrolit pH 'ı ve elektrolit konsantrasyonunun değişmesinden etkilendiğini göstermiştir. Bunun yanı sıra tüm filmler için, Ni ve Co iyonlarının depozisyonunda anormal birlikte depozisyon tespit edilmiştir. Yapısal analiz x-ışını difraksiyonu tekniği ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirilmiştir. Filmler genel olarak yüzey merkezli kübik (fcc) kristal yapıya sahip olmalarına rağmen, Co miktarı % 63 veya üzeri olanlar fcc ve hekzagonal sıkı paket yapının karışımı olan bir faza sahiptirler. SEM görüntüleri, filmlerin yüzey morfolojilerinin, farklı üretim parametrelerinden etkilendiğini göstermiştir. Titreşimli numune manyetometresinden elde edilen manyetik sonuçlar, doyum manyetizasyonunun, Ms Co içeriğinin artmasıyla artığını ortaya çıkarmıştır. En yüksek Ms değeri, -1.1 V 'da üretilen ve % 87 Co içeren filmin olup, 1160 emu/cm3 olarak bulunmuştur. Film bileşimindeki Co oranı azaldıkça Ms değeri 358 emu/cm3' e kadar düşmüştür. Ayrıca, incelenen tüm filmler için manyetizasyonun kolay eksen yönünün film düzlemine paralel olduğu bulunmuştur. MR ölçümleri van der Pauw tekniği ile ±10 kOe arasında gerçekleştirilmiştir. Anizotropik manyetorezistans (AMR) ve Düzlemsel Hall Etkisini (DHE) içeren filmlerin MR davranışı kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Boyuna ve Enine manyetorezistans değerlerinin yaklaşık olarak % 3 ile % 11 arasında değiştiği ve tüm filmlerin AMR özelliğe sahip olduğu bulunmuştur. Çapraz bağlantı dizilimi ile yapılan DHE incelemesinde, DHE değişimlerinin AMR değişimlerinden daha büyük olduğu gösterilmiştir. Yine MR yöneliminin, filmlerin uygulanan manyetik alana göre paralel ve dik kollarında oluşan elektriksel direnç değerlerine bağlı olduğu gösterilmiştir. Buna göre filmlerin toplam paralel elektriksel direnç değerleri, toplam dik elektriksel direnç değerlerinden büyükse, MR yönelimi artan manyetik alan ile artar, eğer küçükse artan manyetik alan ile azalır. Bu sonuçlar, MR yöneliminin kontrol edilebilir olduğuna işaret eder.

In this study, Ni-Co films were grown with electrodeposition technique on titanium substrate and their structural, magnetic and magnetoresistance (MR) properties were investigated. The study was realized by considering deposition potential, electrolyte pH, film thickness and electrolyte concentration which were very important parameters in electrodeposition technique. The reduction potentials of the metals in the electrolyte were determined by a cyclic voltammetry technique. The growth mechanisms of the films were examined with the current-time transients recorded during film deposition. The results of elemental analysis executed by an energy dispersive x-ray spectroscopy showed that the Ni:Co ratios in the films were influenced by the change of deposition potential, electrolyte pH and electrolyte concentration. Besides, the anomalous codeposition was detected in the deposition of Ni and Co ions for all films. The structural measurements were carried out by an x-ray diffraction technique and a scanning electron microscope (SEM). Although the films generally have the face centered cubic (fcc) crystal structure, the films contain 63 % Co content or above that have a mixture phase of fcc and hexagonal close packed structure. The SEM images showed that surface morphology of the films was affected from different deposition parameters. The magnetic results obtained from a vibrating sample magnetometer disclosed that the saturation magnetization, Ms increased with the increase of Co content. The highest Ms of the films was found to be 1160 emu/cm3 for the film deposited at -1.1V and contained 87 % Co. As the Co ratios of the films decreased the Ms values reduced up to 358 emu/cm3. Furthermore, the easy axis direction of magnetization is in the film plane for all films investigated. MR measurements were carried out at ±10 kOe with a van der Pauw technique. MR behaviour of the films that consisted of anisotropic magnetoresistance (AMR) and Planar Hall Effect (PHE) was comprehensively studied. Longitudinal and transversal magnetoresistance values varied between approximately 3 % and 11 %, and all films were found to have the AMR. In the PHE investigation performed with cross contact arrangement, the change of PHE was shown to be larger than the change of AMR. And the MR orientation depended on the electrical resistance values occurred in the parallel and perpendicular branches of the films according to applied magnetic field. Thus, if the total parallel electrical resistances of the films are bigger than the total perpendicular electrical resistances, the MR orientation increases with increasing magnetic field but decreases with increasing magnetic field if the parallel ones are smaller than the perpendicular ones. The results refer to a controllable MR orientation.