Co/Cu çok katmanlı nanoyapılar üzerine Fe içeriğinin etkisi

Abstract

Bu çalışmada CoFe/Cu ferromanyetik çok katmanlı yapılar elektrokimyasal sentezleme tekniği ile kendi iyonlarını içeren çözeltilerden Ti (hekzagonal sıkı paket, hcp) alt tabaka üzerine 3 mikrometre kalınlığında olacak şekilde büyütüldüler. Bu çok katmanlı filmlerin özellikleri, Fe konsantrasyonu, Cu ve CoFe tabaka kalınlığına göre incelendi. Metallerin depozisyon potansiyelleri, dönüşümlü voltametri (CV) tekniği ile referans elektroda (doymuş kalomel elektrot SCE) göre, CoFe için -1.5 V ve Cu için -0.3 V olarak belirlendi.Numunelerin, yapısal karakterizasyonları X-ışını difraksiyonu (XRD) tekniği ile yapıldı. Üretilen filmlerin XRD spektrumlarında yüzey merkezli kübik (fcc) yapının (111), (200), (220) ve (311) yansımalarından kaynaklanan pikler açık şekilde gözlendi ve bundan dolayı numuneler tek fazlı olarak fcc yapıda kristalleşmektedir. 0.0 M Fe 0.05 M ve 0.1 M konsantrasyonuna sahip çözeltilerden üretilen numunelerin kristal yönelimlerinin, bulk metallerinde olduğu gibi rastgele yönelime sahip olduğu bulundu. Fe içeriğinin 0.1 M'a kadar yükseltilmesi ile numunenin fcc fazının Fe'in cisim merkezli kübik (bcc) yapısından dolayı zayıfladığı görüldü.Filmlerin manyetik karakterizasyonları için titreşimli örnek magnetometresi (VSM) kullanıldı. Ölçüm sonuçlarında Fe konsantrasyonunun 0.0 M'dan 0.1 M'a kadar arttırılması ile filmlerin koarsivite değerlerinin azaldığı görüldü. Bu azalma, film içindeki depozit olan yumuşak ferromanyetik yapıya sahip Fe'den kaynaklanmaktadır. Bu da numunelerin koarsivite değerlerinin yumuşak ferromanyetik madde sınırı olan 12.5 Oe değerine doğru yaklaşmaktadır.Numunelerin manyetorezitans (MR) ölçümleri van der Pauw tekniği ile ölçüldü. CoFe/Cu katmanlı filmler, periyodik yapısından dolayı dev manyetorezistans (Giant magnetoresistance-GMR) etki göstermiştir. 0.0 M Fe konsantrasyonuna sahip çözeltiden üretilen 285[Co(6 nm)/Cu(4.5 nm)] numunesi (285 bilayer sayısına sahip), %10'luk bir GMR değerine sahip iken 0.05 M Fe içeren çözeltiden üretilen numune için bu değer %22'ye kadar çıkabilmektedir. Çözeltideki Fe konsantrasyonu, 0.05 M dan 0.4 M'a kadar olan çözeltilerden üretilen filmlerin GMR değerleri azalarak %3'e kadar düşmektedir. Ayrıca numunelerin magnetorezistans değerleri hem Cu hem de CoFe tabaka kalınlığına bağlı olarak ölçüldü. CoFe tabaka kalınlığı 6 nm de sabit tutularak Cu tabakası 0 dan 10 nm'ye 23 farklı kalınlıkta büyütüldü. En büyük GMR değeri Cu kalınlığı 4.5 nm olduğu zaman elde edildi. Diğer taraftan Cu kalınlığı 4 nm de sabit tutularak CoFe kalınlığı 3-15 nm ye kadar değiştirildi ve en büyük GMR değeri CoFe kalınlığı 6 nm olduğunda gözlendi.

In this study, CoFe/Cu ferromagnetic multilayered structures were grown on polycrystalline Ti (hcp) substrates from electrolytes containing their ions by the electrochemical synthesis technique. The properties of the films were investigated as a function of the concentrations of Fe, magnetic and non-magnetic layers thickness. The deposition potentials of metals vs saturated calomel electrode (SCE) were determined to be -1.5 V for the deposition of the ferromagnetic layers (CoFe) and -0.3 V for non-magnetic layers (Cu), using the cyclic voltammetry method (CV).The structural characterizations of samples were studied using X-ray Diffraction (XRD). The (111), (200), (220) and (311) peaks of face centred cubic (fcc) crystal structure were clearly observed in XRD patterns of films and therefore, all films have only fcc structure. The crystal orientations of CoFe/Cu films grown from the electrolytes containing 0 M, 0.05 M and 0.1 M Fe were calculated and seen to have a random orientation as in bulk Cu. It is observed that fcc phase of the sample is reduced with increasing Fe content up to 0.1 M owing to bcc phase of Fe.The magnetic characterizations of samples were measured by the vibration sample magnetometer (VSM) technique. When the Fe concentration is increased from 0 M to 0.1 M, the coercivities of films approach to the soft ferromagnetic limit (12.5 Oe), due to the soft ferromagnetic Fe.The magnetoresistance (MR) characterizations of samples were studied by the van der Pauw technique. All films exhibited giant magnetoresistance (GMR) due to their periodic structure. The GMR magnitude of a 285[Co(6 nm)/Cu(4.5 nm)] film grown from an electrolyte containing 0.0 M Fe is 10 %, but this value increases up to 20% for the 285[CoFe(6 nm)/Cu(4.5 nm)] film grown from the electrolyte with 0.05 M. When the Fe concentration in the electrolyte is increased from 0.05 M to 0.4 M the GMR value decreases down to 3%. In addition, the magnetoresistance measurements of samples were performed as a function both Cu and CoFe layer thickness. The CoFe layer thickness was held constant at 6 nm, the thickness of the Cu layer was changed from 0 to 10 nm. For this series, the largest GMR value was obtained to be 16% when Cu layer thickness was 4.5 nm. On the other hand, the Cu layer thickness was fixed at 4 nm and the CoFe layer thickness was changed from 3 nm to 15 nm. For the samples in this group, the maximum GMR value was found to be 22% for the CoFe layer thickness of 4 nm.