Titanyum alt tabaka üzerine elektrodepozisyonla büyütülen NiFe/Cu süperörgülerin yapısal, manyetik ve manyetorezistans özellikleri üzerine manyetik tabaka (NiFe) kalınlığının etkisinin incelenmesi

Abstract

NiFe/Cu süperörgüler nikel, demir ve bakır iyonlarını içeren bir çözeltiden potansiyel kontrollü olarak elektrodepozisyon tekniği ile polikristal titanyum alttabaka üzerine büyütülmüştür. NiFe/Cu süperörgülerin yapısal, manyetik ve manyetorezistans özellikleri ferromanyetik NiFe kalınlığına göre incelendi. Süperörgülerin NiFe tabaka kalınlığı 1.5 nm’ den 10 nm’ ye kadar arttırılırken Cu tabaka kalınlığı 1nm’ de sabit tutuldu. Dönüşümlü Voltametri metodu ile çözelti elektrokimyasal olarak karakterize edildi. Ferromanyetik NiFe tabakalar ve manyetik olmayan Cu tabakalar doymuş kalomel elektroda göre sırasıyla -1.8 V ve -0.3 V’ ta depozit edildi. Süperörgülerin elementel analizi Enerji Ayırmalı X- Işını Spektrometresi ile yapılmıştır. Yapısal analiz için X- Işını Difraksiyonu ve Taramalı Elektron Mikroskobu kullanılmıştır. Örneklerin manyetik özellikleri Titreşimli Numune Manyetometresi ile incelenmiştir. Manyetorezistans (MR) ölçümleri Van der Pauw Metodu ile yapılmıştır. NiFe tabaka kalınlığı arttıkça numunelerin Ni içeriği artmakta, Cu içeriği azalmakta, Fe içeriği ise çok hafif azalmaktadır. XRD desenlerinde yüzey merkezli kübik (fcc) yapının (111), (200), (220) ve (311) yansımaları elde edildiği için tüm süperörgüler sadece fcc kristal yapıda oluşmuştur. Süperörgülerin (111) kristal yönelimine sahip olduğu bulunmuştur. NiFe tabaka kalınlığı arttıkça numunenin Ni içeriği de arttığı için numunelerin örgü sabiti azalarak bulk Ni’ in örgü sabitine yaklaşmaktadır. SEM görüntülerine göre NiFe tabaka kalınlığının artışıyla tanecikli yapı artmakta ve daha homojen yüzeyler oluşmaktadır. Numunelerin manyetik özellikleri ferromanyetik tabaka kalınlığından önemli ölçüde etkilenmiştir. Doyum manyetizasyonu (Ms) NiFe tabaka kalınlığının artmasıyla 12.9 emu/cm3’ ten 291.3 emu/cm3’ e yükselmiştir. Süperörgülerin Ni içeriğindeki artış Ms’ de artışa neden olmuştur. 23.4 Oe ile 63.2 Oe arasında değişen kuarsivite değerleri yumuşak ve sert manyetik özellikler arasındadır. NiFe tabaka kalınlığı 3.5 nm’ nin altında olan süperörgüler Devasa Manyetorezistans (GMR) etki gösterirken, NiFe tabaka kalınlığı 3.5 nm’ nin üzerinde olduğunda Anizotropik Manyetorezistans (AMR) etki oluşmaya başladı. NiFe tabaka kalınlığının 4 nm’ nin üzerinde olduğu numunelerde GMR tamamen AMR etkiye dönüşmüştür. NiFe/Cu süperörgülerde % 2’ ye kadar GMR değerleri elde edilmiştir. Ferromanyetik tabaka kalınlığı süperörgülerin manyetorezistans özellğini önemli ölçüde etkilemiştir. Büyük ferromanyetik tabaka kalınlıklarında spine bağımlı saçılmadan ziyade bulk saçılmanın artması nedeniyle süperörgülerin GMR özelliği AMR özelliğe geçiş yapmıştır.

NiFe/Cu superlattices were grown on polycrystalline titanium (Ti) substratesfrom solution containing nickel, iron and copper ions by potentiostatically controlled electrodeposition technique. The structural, magnetic and magnetoresistance properties of the NiFe/Cu superlattices were examined depending on the ferromagnetic NiFe layer thickness. The NiFe layer thickness of the superlattices was increased from 1.5 nm to 10 nm while the Cu layer thickness was held constant at 1nm. The solution was electrochemically characterized by cyclic voltammetry method. Ferromagnetic NiFe layers and nonmagnetic Cu layers were deposited at -1.8 V and -0.3 V vs. saturated calomel electrode, respectively. The elemental analysis of the superlattices was made by energy dispersive x-ray spectrometer. The X-ray diffraction and scanning electron microscope was used for structural analysis. The magnetic properties of the samples were examined by vibrating sample magnetometer. Magnetoresistance (MR) measurements were made by the van der Pauw method. As the NiFe layer thickness increases, the Ni content of the samples increases, the Cu content decreases and Fe content decreases slightly. Since the (111), (200), (220) and (311) reflections of the face centred cubic (fcc) structure were obtained in XRD patterns, all superlattices are only formed in the fcc crystal structure. The crystal orientation of the superlattices was obtained (111). Since the Ni content of the sample increase, as the NiFe layer thickness is increase, the lattice constant of the sample decreased and approached to that of the bulk Ni.According to the SEM images, the granular structure increases with the increase of NiFe layer thickness and more homogeneous surfaces are formed. The magnetic properties of the samples are significantly affected by the ferrromagnetic layer thickness. Saturation magnetisation, Ms increases from 12.9 to 291.3 emu/cm3 with increasing NiFe layer thickness. The increase in the Ni content of the multilayers causes an increase in the Ms. The coercivities ranging from 23.4 to 63.2 Oe are between the soft and hard magnetic properties. The superlattices with NiFe layer thickness less than 3.5 nm was exhibited GMR, while the AMR effect was begin to occur when the NiFe layer thickness was above 3.5 nm. The samples with NiFe layer thickness is greater than 4 nm, GMR is fully converted to AMR. GMR values of up to 2 % were obtained in NiFe/Cu superlattices. The thickness of the ferromagnetic layer significantly influences the magnetoresistance property of the superlattices. For the large ferromagnetic layer thickness due to the increase of bulk scattering rather than spin dependent scattering the GMR property of the superlattices has switched to AMR.