CoFeNi/Cu süperörgülerin özelliklerinin Ni içeriğine bağlı olarak incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada CoFeNi/Cu süperörgülerin, elektrokimyasal depozisyon tekniği ile kendi iyonlarını içeren çözeltilerden Ti (hekzagonal sıkı paket, hcp) alt tabaka üzerine 3 kalınlığında büyütülmesi ve karakteristik özelliklerinin incelenmesi konu edilmiştir. Bu süperörgülerin özellikleri, Ni konsantrasyonu, Cu (manyetik olmayan) ve CoFeNi (ferromanyetik) tabaka kalınlığına göre incelendi. Metallerin depozisyon potansiyelleri, dönüşümlü voltametri (CV) tekniği ile referans elektroda (doymuş kalomel elektrot SCE) göre, CoFeNi 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 bu nedenle, numunelerin tek fazlı olarak fcc yapıda kristalleştiği sonucuna varıldı. Farklı Ni konsantrasyonlarına sahip çözeltilerden üretilen numunelerin kristal yönelimlerinin, (111) tercihli yönelime sahip olduğu bulundu ve bu da, Ni ve Co tercihli yönelimlerinin (111) olmasından kaynaklanmaktadır. Numunelerin örgü sabitleri hesaplandığında Ni konsantrasyonunun artışının, filmlerin örgü sabitlerinde bir azalışa neden olduğu görüldü, yani külçe (bulk) Ni' in örgü sabiti değerine (0.352 nm) doğru yaklaşmaktadır.Filmlerin manyetik karakterizasyonları için, titreşimli örnek magnetometresi (VSM) kullanıldı. Ölçüm sonuçlarında, Ni konsantrasyonunun 0.0 M'dan 1 M'a kadar arttırılması ile filmlerin koersivite değerlerinin azaldığı görüldü. Bu azalma, film içindeki depozit olan Ni'nin düşük koersivite değerine sahip Co (20 Oe)'nun geri çözünmesine engel olmasından kaynaklanmaktadır.Numunelerin manyetorezitans (MR) ölçümleri van der Pauw tekniği ile yapıldı. CoFe/Cu süperörgüsü, periyodik yapısından dolayı dev manyetorezistans (Giant magnetoresistance-GMR) etki göstermiştir. 0.0 M Ni konsantrasyonuna sahip (yani Ni içermeyen) bir çözeltiden üretilen 375[CoFe(4 nm)/Cu(4 nm)] numunesi %16'luk bir GMR değerine sahip iken 0.5 M Ni içeren çözeltiden üretilen numune için bu değer %22'ye kadar çıkabilmektedir. Ni konsantrasyonu, 0.5 M'dan 1 M'a kadar olan çözeltilerden üretilen filmlerin GMR değerleri azalarak, %9'a kadar düşmektedir. Ayrıca numunelerin manyetorezistans değerleri hem Cu, hem de CoFeNi tabaka kalınlığına bağlı olarak ölçüldü. 0.5 M Ni içeren çözeltiden, CoFeNi tabaka kalınlığı 4 nm'de sabit tutularak, Cu tabakası 0.5 nm'den 4 nm'ye kadar değişen kalınlıklara sahip süperörgüler büyütüldü. En büyük GMR değeri, Cu kalınlığı 4 nm olduğu zaman elde edildi. Diğer taraftan, aynı çözeltiden Cu kalınlığı 4 nm'de sabit tutularak CoFeNi kalınlığı 2-15 nm'ye kadar değiştirildi ve numunelerin sahip olduğu en büyük GMR değeri, CoFeNi kalınlığı 4 nm olduğunda gözlendi.

In this study, CoFeNi/Cu superlattices were grown on Ti (hexagonal closed packet-hcp) substrates from electrolytes containing their own ions by the electrochemical deposition technique. The properties of the superlattices were investigated as a function of the Ni ion concentrations in the electrolyte, the Cu (non-magnetic) and CoFeNi (ferromagnetic) layer thicknesses. The deposition potentials of metals vs saturated calomel electrode (SCE) were determined to be -1.5 V for the ferromagnetic layers and -0.3 V for non-magnetic layers, 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 phase. The crystal orientations of CoFeNi/Cu superlattices grown from the electrolytes containing different Ni ions were calculated and seen to have the (111) orientation as in bulk Co and Ni. Since the Ni content of the film increase, as the Ni concentration in the electrolyte is increased, the lattice constant of the film approached to that of the bulk Ni (0.3524 nm).The magnetic characterizations of samples were measured by the vibration sample magnetometer (VSM) technique. When the Ni concentration is increased from 0 M to 0.1 M, the coercivity values approach to the soft ferromagnetic limit (12.5 Oe), due to the soft ferromagnetic Co (20 Oe).The magnetoresistance (MR) characterizations of the samples were studied by the van der Pauw technique. All superlattices exhibited giant magnetoresistance (GMR), which arises from their periodic structure. The GMR magnitude for a superlattice with 375[CoFe(4 nm)/Cu(4 nm)] grown from a non-Ni electrolyte is 16 %, but this value rises up to 22% for a superlattice with 375[CoFeNi(4 nm)/Cu(4 nm)] grown from the electrolyte containing 0.5 M Ni. When the Ni concentration in the electrolyte is increased from 0.5 M to 1.0 M, the GMR value decreases down to 9%. In addition, the magnetoresistance measurements of the samples were performed as a function, both Cu and CoFeNi layer thickness. The CoFeNi layer thickness was held constant at 4 nm, while the thickness of the Cu layer was changed from 0.5 to 4 nm. For this series, the largest GMR value was obtained when Cu layer thickness was 4 nm. On the other hand using the same solution, when the Cu layer thickness was fixed at 4 nm and the CoFeNi layer thickness was changed from 2 nm to 15 nm, the maximum GMR value was found for the CoFeNi layer thickness of 4 nm.