Ferromanyetik Süperörgüler

Ferromanyetik Süperörgüler
Prof. Dr. Mürsel ALPER
Uludağ Üniversitesi, Fen Edebiyat
Fakültesi, Fizik Bölümü
Temmuz 2008, Çanakkale
Ferromanyetik Süperörgüler
Süperörgülerin Elektrodepozisyonu
Elektrokimyasal Karakterizasyon
Yapısal Analiz
Manyetorezistans
Sonuçlar
2
1. Ferromanyetik Süperörgüler
N [FM (tFM nm)/ NF (tNF nm)]
N: ikili tabaka (bilayer) sayısı
Co (1-10 nm)
FM: ferromanyetik tabaka
(Fe, Ni, Co, CoNi, CoNiFe,…)
Cu (0.5-5 nm) NF: ferromanyetik olmayan tabaka
(Cr, Mn, Cu, Ag,...)
Co
Cu
Co
3
Devasa (Giant) Manyetorezistans (GMR)
Giant Manyetorezistans (GMR): Manyetik alanda maddenin
elektriksel direncinde meydana gelen çok büyük değişme.
GMR’ ın ilk keşfi: Moleküler Demet Epitaksi (MBE) tekniği ile
hazırlanmış Fe/Cr süperörgüler (A. Fert) ve Fe/Cr/Fe yapılar (P.
Grunberg).
2007 yılı Nobel Fizik Ödülü:
A. Fert et. al. (Phys. Rev. Lett., 61, 2472, 1988)
B. P. Grunberg et al. (Phys. Rev. B, 39, 4828, 1989)
4
Püskürtme tekniği ile üretilen Co/Cu süperörgülerde %65
GMR gözlendi (Parkin et al., Appl. Phys. Lett., 58, 2710,
1991).
GMR’ ın Cu tabaka kalınlığının fonksiyonu ile osilasyon
yaptığı bulundu (Parkin et al., Phys. Rev. Lett., 66, 2152,
1991).
Elektrodepozisyon tekniği ile büyütülen NiCoCu/Cu
süperörgülerin de önemli ölçüde GMR gösterdiği keşfedildi
(M. Alper et al., Appl. Phys. Lett., 63, 2144, 1993).
5
Süperörgü Üretim Teknikleri
Elektrodepozisyon
Moleküler Demet Epitaksi (MBE)
Püskürtme (Sputtering)
Buharlaştırma
6
7
Neden Elektrodepozisyon?
Vakum gerektirmez
Basit ve ucuz
Hızlı
Geometrik biçim
Nanotel ve nanokontakt gibi nanoyapıların
üretilmesinde daha avantajlıdır.
8
2. Süperörgülerin Elektrodepozisyonu
Elektrodepozisyon
Depozit
edilecek
metalin
iyonlarını içeren elektrokimyasal
hücrenin katodunda iyonların
indirgenmesi ile gerçekleşir.
Katotta gerçekleşen tepkime;
Güç Kaynağı
Anot
Katot
Çözelti
Mn+ + ne- → M
(1)
9
Elektrodepozisyon Tekniği
Potantiostat: Depozisyon için
gerekli akım veya potansiyeli
sağlar.
DAC: Bilgisayardan çıkan digital
bilgiyi analog bilgiye çevirerek
potantiostata aktarır.
ADC: Potantiostattan gelen
analog bilgiyi digital biliye
çevirerek bilgisyara gönderir.
Bilgisayar: Süreci kontrol eder.
Özel Çözelti Kabı: Çözelti ve
elektrotların yerleştirildiği bir cam
kap
10
3. Elektrokimyasal Karakterizasyon
Dönüşümlü Voltametri (CV) tekniği:
Depozisyon potansiyelleri, geri çözünme potansiyelleri
50
Akım (mA)
0
-50
-100
-150
-200
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
Katot Potansiyeli (V vs. SCE)
1
11
Akım Zaman Geçişleri:
süperörgülerin büyüme süreci incelenir.
150
100
Akım (mA)
50
Cu Tabakası
0
-50
-100
Co Tabakası
-150
-200
-250
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Zaman (s)
12
4. Yapısal Analiz
G1
X-Işını Difraksiyonu
Y1
Y2
G2
θ
d
θ
B
O
θ θ
θ
θ
Kristal Düzlemi
C
Kristal Düzlemi
A
Bragg Yasası: nλ = 2dsinθ
13
X-Işınları Difraksiyon (XRD) Tekniği ile Yapı Analizi
Bir süperörgünün XRD deseninin içerdiği bilgiler:
Süperörgünün kristal yapısı
Süperörgünün periyodu (Modülasyon dalgaboyu, Λ)
Tabakalar arasındaki arayüzeylerin keskinliği
14
Bir süperörgünün XRD deseninde gözlenen pikler:
1. Süperörgü piki
Kristal düzlemleri arasındaki mesafe:
d SL
N Ad A + N B d B
Λ
=
=
N A + NB
N A + NB
(1)
2. Uydu pikler
Süperörgünün periyodu: ikili tabakanın kalınlığını verir.
Λ =
nλ
sin θ + n − sin θ
(2)
−n
15
Polikristal Cu alttabaka üzerine büyütülen Ni/Cu
süperörgünün XRD spektrumu
6
Log Şiddet (cps)
Cu (200)
5
SL(200)
4
Cu(111)
SL(111)
(-1)
(+1)
3
40
45
50
55
60
2θ
θ (Derece)
16
Cu(100) tek kristali üzerine büyütülmüş bir Ni/Cu
süperörgünün XRD spektrumu (Alper 2002)
1E+7
Cu (200)
Şiddet
1E+6
SL (200)
(-1)
1E+5
1E+4
(+1)
(-2)
(+2)
(-3)
1E+3
1E+2
40
45
50
2θ
θ (Derece)
55
60
17
Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron
Microscopy, SEM)
pH = 3.0
pH = 2.0
Farklı pH değerlerinde büyütülmüş Ni/Cu süperörgünün SEM resimleri
18
5. Manyetorezistans
İletken maddelerde elektriksel akım taşıyıcıları serbest elektronlardır.
Direnç: Elektronların doğru yollarından saptırılmalarından kaynaklanır.
1. Fononlar
2. Kusurlar
Elektron ne kadar fazla saçılma yaparsa direnç o kadar yüksek olur.
Spin
Elektron=Yük+Spin
Yük (Klasik): Madde
etkileşmeleri sağlar
içindeki
Spin (Kuantum): Manyetik momenti
indükler (iki zıt yöne sahiptir)
Yük
Elektron
Yük
Spin
Elektron
Manyetorezistans: Manyetik Alanda Elektriksel Direncin Değişimi
Farklı spinli elektronların farklı şekilde saçılmaya uğramasından
kaynaklanır.
19
Ferromanyetiklik Enerji Bant Yapıları ile Açıklanabilir.
Manyetizasyon=Spin Dengesizliği
Cu ve Ag gibi d geçiş metallerinde
spin yukarı ve spin aşağı elektronlar
için durum yoğunluğu eşittir. Bu
yüzden net manyetizasyonları yoktur.
Fe, Co, Ni gibi 3d metallerinde spin
yukarı ve spin aşağı elektronlar için
durum yoğunluğunda bir dengesizlik
vardır. Bu fark net manyetizasyona
(ferromanyetikliğe) sebep olur.
20
Manyetorezistans Ölçümü
A
I
B
H
D
C
1. Boyuna manyetorezistans (BMR):
Uygulanan manyetik alan maddeden
geçen elektriksel akıma paraleldir.
R BMR
V
A
I
C
B
V
H
D
VC − VD
=
I AB
2. Enine manyetorezistans (EMR):
Uygulanan manyetik alan maddeden
geçen elektriksel akıma diktir.
R EMR
VB − VD
=
I AC
21
Filmin direncindeki yüzde değişim miktarı MR (%) ;
R ( H ) − Rmin
MR (%) =
× 100
Rmin
R (H): uygulanan herhangi bir manyetik alandaki direnç
Rmin: direncin en küçük olduğu değer
22
Anizotropik Manyetorezistans (AMR):
Tek Katmanlı Ferromanyetik Filmler
4
BMR
EMR
3
% MR
H//I H arttıkça R artar.
H⊥I H arttıkça R azalır.
Sebebi:
Spin-Yörünge etkileşmesi
2
1
0
-10
-5
0
5
10
H (kOe)
23
Manyetik malzemelerde spinlerin çoğu (kırmızı) manyetizasyonla aynı
yöndedir (çoğunluk taşıyıcı) ve bu yüzden daha az saçılmaya,
manyetizasyona zıt spinli elektronlar (beyaz) kuvvetli saçılmaya uğrarlar.
Manyetik malzemelerde elektronların saçılması
24
Devasa (Giant) Magnetorezistans (GMR):
Ferromanyetik Süperörgü Filmler
H//I H arttıkça R azalır.
H⊥I H arttıkça R azalır.
20
833[Co(5nm)/Cu(1nm)]
MR (%)
16
Sebebi:
Spine bağımlı saçılma
12
8
4
0
-10
-5
0
5
10
H (kOe)
25
GMR’ ın Kaynağı
Süperörgü ve katmanlı nanoteller gibi nanoyapılar niçin GMR gösterir?
Akımı taşıyan iki tür elektron vardır:
1. Spin-Yukarı Elektronlar
(madde içindeki manyetizasyona
paralel spinli elektronlar)
Spin Manyetizasyon
Yük
Elektron
1. Spin-Aşağı Elektronlar
(madde içindeki manyetizasyona
antiparalel elektronlar)
Yük
Spin
Elektron Manyetizasyon
26
GMR Spine Bağımlı Saçılmadan Kaynaklanır
Spin FM NM FM
Yukarı
Spin FM NM FM
Yukarı
Spin
Aşağı
Spin
Aşağı
FM: Ferromagnetik Tabaka
NM: Magnetik Olmayan Tabaka
R1
R1
R2
R2
R1
R2
RP= 2R1R2/(R1+R2)
R2
R1
RAP=(R1+R2)/2
RAP>RP
27
GMR’ ın bilayer sayısı ile değişimi
30
25
MR (%)
20
15
10
BMR
EMR
5
0
0
100
200
300
400
500
600
Bilayer Sayısı (N)
M. Şafak et. al. (J. Opt. and Adv. Mater, kabul edildi).
28
GMR’ ın pH ile değişimi
20
EMR
BMR
% MR
16
12
8
4
0
1.6
2.1
2.6
3.1
3.6
Elektrolit pH' ı
M. Alper, et. al. (J. Electrochem Soc., 144, 2346 (1997)).
29
Tarihsel gelişim
1955: Bilgisayarlardaki MRAM için Permalloy film kullanılması önerildi. Bu
girişim, yarıiletkenlere dayalı DRAM ortaya çıkmasıyla başarısız olur.
1958: Manyeto-optik kayıt için MnBi ince filmlerin kullanılmasının önerilmesi
1973: Manyeto-optik kayıt için nadir toprak geçiş metal filmleri kullanılmaya
başladı (halen kullanımda)
1979: IBM, Harddisklerdeki okuma ve yazma kafaları için ince film
teknolojisini kullanmaya başladı.
1991: Harddisk sürücülerindeki sensörler için anizotropik magnetorezistans
(AMR) etki gösteren permalloy filmlerin kullanılmaya başlanması (IBM).
1997: Harddisk sürücülerindeki sensorler için Giant magnetorezistans (GMR)
etkiye sahip filmlerin kullanılması (IBM)
GMR’ın diğer mümkün uygulamaları örneğin araçlardaki mekaniksel
hareketleri kontrol etmek için robotlarda ve sensörlerde yaygın şekilde
kullanılmaktadır.
30
GMR Uygulamaları, Spin Elektroniği
1980’ li yıların sonlarında keşfedilen GMR, kısa bir süre sonra
endüstriyel üretimleri gerçekleştirildi. 1997 yılından itibaren kullanılmaya
başlandı.
GMR gösteren malzemeleri baz alarak geliştirilen cihazların teknolojik
uygulamaları:
Sensörler: Demir içerikli bir cismin konumunu ve hızını algılamak için
kullanılabilir.
Okuma Kafaları (Read Heads): Hard diskler gibi manyetik ortamlardaki
bilgilerin okunması
MRAM (Manyetik Random Access Memory): Spin valf ve tünelleme
MR etkilerine sahip yapılar, yüksek yoğunluklu kaybolmayan random
erişebilir hafızalar için kullanılmaktadır.
Galvanik İsolatorler (Akım algılayıcısı): Elektriksel akımın ürettiği
manyetik alanları algılayan cihazlar (bobin gibi).
31
Sonuçlar
1 nm den daha küçük tabaka kalınlıklarına
sahip süperörgüleri büyütmek mümkündür.
%30 kadar GMR değerleri elde edilmiştir. Bu
değeri değişik depozit şartları altında optimize
etmek mümkündür.
Tabaka kalınlığı, tabaka sayısı, çözelti pH
değeri gibi parametreler süperörgülerin
özellikleri üzerinde önemli etkiye sahiptir.
32