Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co

see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*

2009 (EN)
The beneficiary role of intentional alloying in noble metal-cobalt multilayered systems
Ο ρόλος της πολυστρωματικής διαμόρφωσης στη μαγνητική απόκριση του Co

Γιανναράκης, Γιάννης Γεωργίου

At the present Master Thesis, our purpose is to study of the role of intentional alloying in noble metal-Cobalt multilayered systems. The combination of Co with Pd or Pt either in alloy or multilayer form yields significant tunable features mainly in the macroscopic magnetic behavior i.e. enhanced magnetization and perpendicular magnetic anisotropy. In an effort to thoroughly study and further exploit Co-based multilayers, we investigate the structural and magnetic properties of Co/Pt (or Pd) multilayers where one of the constituent materials is substituted by CoPt (or CoPd) alloy. Consequently, this leads to the formation of a hybrid structure in between alloys and the conventional two-element multilayers. The role of intentional alloying within the multilayer period, though it preserves high degree of crystallinity, it promotes stronger perpendicular magnetic anisotropy and enhanced magnetization features, that are highly plausible by the requests for magnetic recording applications. Α series of conventional Ptm/Con samples as well as Ptm/[CoxPt1-x]n, [CoxPt1-x]m/Con, [CoxPd1-x]m/Con and Pdm/[CoxPd1-x]n samples were grown on glass substrates by e-beam evaporation under ultra high vacuum (UHV) conditions. The numbers m, n denote atomic planes per multilayer period and range between 1 and 11, while x is the at.% concentration of Co in the alloyed layers, which was determined with Scanning Electron Microscopy experiments and it was found to be from 33 to 70 at.%, depending on the sample. The number N of bilayer repetitions was in the range 32-134 depending on the sample. The structural properties of the samples were studied via x-ray diffraction (XRD) using the CuKa radiation. The multilayer period Λ and the individual thicknesses m and n were experimentally verified by the positions of small and high-angle XRD peaks. In all cases a strong <111> texture is observed due to Pt underlayer while the existence of both small-angle and high-angle diffraction satellite reflections indicates high degree of crystallinity and multilayer stacking. Eventually, the structural features of multilayers with intentionally alloyed layers resemble the conventional multilayers comprising of two pure elements. However, in a sample comprising of only ~ 1 atomic layer of magnetic material (CoPd), multilayer periodicity degrades due to potential interdiffusion effects, as expected for such thin layers. Also it was observed that the increase of individual thicknesses of the two materials improves the sharpness and the intensity of reflections in the XRD spectra. Finally, with the help of the Scherrer’s formula and the full width at half maximum of the solid solution diffraction peaks in the high-angle XRD patterns, we were able to see that the samples present a nanocrystalline character. The magnetic characterization was performed at temperatures from 77 to 300K via vibrating sample magnetometry (VSM) with maximum exterior magnetic field 1.1 Tesla. The magnetic hysteresis loops were recorded in two geometries - parallel and perpendicular to the film plane. The data were normalized for the volume of Co (CoPt or CoPd in the case of intentionally alloyed multilayers) with input data resulted from the XRD and SEM analysis. We may see the unambiguous development of perpendicular magnetic anisotropy which becomes stronger in the case of the higher quality multilayer sample with squareness ratio close to unity. Therefore, the introduction of alloyed layers within a multilayer significantly tunes the PMA and results to systems with scalable magnetic features. The structural characteristics in hybrid structures combining intentional alloying with multilayer stacking were correlated with macroscopic magnetic behavior. The substitution of individual elemental layers with corresponding alloyed ones seems to be beneficiary if properly combined with relatively small layer thicknesses in order to allow interface effects to dominate over magnetic behavior. Thus, the intentional alloying of the magnetic layers gives an additional degree of freedom for tailoring and optimizing crucial properties of films for technological applications.
Στην παρούσα διπλωματική εργασία, στόχος ήταν η μελέτη της επίδρασης της κατά στρώσεις κραματοποίησης των συστατικών σε πολυστρωματικά συστήματα βασισμένα στο Co σε συνδυασμό με ευγενή μέταλλα. Ο συνδυασμός του Co με το Pd ή την Pt σε μορφή κράματος ή σε πολυστρωματική διαμόρφωση, συνθέτει μαγνητικά υλικά με σημαντικά μακροσκοπικά μαγνητικά χαρακτηριστικά όπως είναι οι ενισχυμένες τιμές μαγνήτισης και η εμφάνιση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας. Σε μία προσπάθεια περαιτέρω διερεύνησης και βελτιστοποίησης των πολυστρωματικών υμενίων βασισμένων στο Co, μελετήθηκαν οι δομικές και μαγνητικές ιδιότητες των πολυστρωματικών υμενίων Co/Pt (ή Pd), όπου το ένα από τα δύο συστατικά έχει αντικατασταθεί από κράμα CoPt (ή CoPd). Το γεγονός αυτό οδηγεί στο σχηματισμό μίας υβριδικής δομής ανάμεσα σε κράματα και συμβατικά πολυστρωματικά υμένια. Η κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών μέσα σε στην περίοδο διαμόρφωσης της πολυστρωματικής δομής οδηγεί αφ’ ενός στην διατήρηση υψηλού βαθμού κρυσταλλικότητας και αφ’ ετέρου στην ενίσχυση της ΚΜΑ και των μαγνητικών χαρακτηριστικών. Οι ιδιότητες αυτές είναι επιθυμητές για εφαρμογές μαγνητικής εγγραφής. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν σειρές δειγμάτων Ptm/Con, Ptm/[CoxPt1-x]n, [CoxPt1-x]m/Con, [CoxPd1-x]m/Con και Pdm/[CoxPd1-x]n, τα οποία αναπτύχθηκαν με τη μέθοδο της εξάτμισης με δέσμη ηλεκτρονίων σε σύστημα υπερυψηλού κενού πάνω σε υποστρώμα γυαλιού. Οι αριθμοί m, n των ατομικών επιπέδων κυμαίνονταν από 1 έως 11 ενώ ο αριθμός των επαναλήψεων της περιόδου N βρισκόταν στο εύρος 32-134, ανάλογα με το δείγμα. Η σύσταση του κράματος προοσδιορίστηκε με πειράματα ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) βρέθηκε ότι η at.% συγκέντρωση του Co σε αυτό βρίσκεται στην περιοχή 33-70% για όλα τα δείγματα. Οι δομικές ιδιότητες των δειγμάτων μελετήθηκαν με την τεχνική της περίθλασης ακτίνων –Χ (XRD). Η περίοδος της Λ της πολυστρωματικής διαμόρφωσης και τα πάχη m, n των επιμέρους συστατικών, προσδιορίστηκαν πειραματικά από τις θέσεις των κορυφών στις μικρές και μεγάλες γωνίες του φάσματος περίθλασης ακτίνων-Χ. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατήρηθηκε καλή πολυστρωματική διαμόρφωση και πολυκρυσταλλική ανάπτυξη με κύρια διεύθυνση τη <111>. Συνεπώς, τα δείγματα με κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών παρουσιάζουν ένα προφίλ σύστασης παρόμοιο με αυτό των συμβατικών πολυστρωματικών υμενίων αλλά με μεγάλο βαθμό ενδοδιάχυσης των συστατικών στην περίπτωση πολύ λεπτών στρώσεων κραματοποιημένου μαγνητικού υλικού. Παρατηρήθηκε ότι όσο μεγαλώνουν τα πάχη των επιμέρους υλικών που συνιστούν το πολυστρωματικό υμένιο, τόσο βελτιώνεται και η ποιότητα της πολυστρωματικής διαμόρφωσης. Τέλος, με τη βοήθεια της σχέσης του Scherrer υπολογίστηκε το μέγεθος των κόκκων από τα φάσματα περίθλασης ακτίνων-Χ και βρέθηκε ότι τα δείγματα παρουσιάζουν νανοκρυσταλλικό χαρακτήρα. Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με μαγνητομετρία δονούμενου δείγματος (VSM) στο θερμοκρασιακό εύρος 77-300 Κ με μέγιστο εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο έντασης 1.1 Tesla. Οι βρόχοι υστέρησης καταγράφηκαν σε δύο γεωμετρίες, παράλληλα και κάθετα στο επίπεδο του υμενίου. Τα δεδομένα κανονικοποιήθηκαν ως προς τον όγκο του μαγνητικού υλικού, όπου χρησιμοποιήθηκαν τα δεδομένα που προέκυψαν από την ανάλυση της περίθλασης ακτίνων-Χ και των πειραμάτων με σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Παρατηρήθηκε η διαμόρφωση κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας, η οποία ενισχύεται ακόμα περισσότερο στην περίπτωση καλής πολυστρωματικής διαμόρφωσης των δειγμάτων και οδηγεί σε βρόχους υστέρησης με λόγο τετραγωνικότητας (Mr/Ms) κοντά στην μονάδα. Στη διπλωματική αυτή εργασία, πραγματοποιήθηκε ο συσχετισμός δομής– μακροσκοπικών μαγνητικών χαρακτηριστικών για πολυστρωματικά υμένια με κατά στρώσεις κραματοποίηση των συστατικών. Συμπερασματικά, η κατά στρώσεις κραματοποίηση αποτελεί έναν ακόμα σημαντικό παράγοντα ρύθμισης και βελτιστοποίησης κρίσιμων ιδιοτήτων των υμενίων που θα τα καταστήσει κατάλληλα για τεχνολογικές εφαρμογές.

Postgraduate Thesis / Μεταπτυχιακή Εργασία

Magnetic characterization
Μαγνητικός Χαρακτηρισμός
Cobalt-based multilayers
Intentional alloying
Δομικός χαρακτηρισμός
Structural characterization
Μαγνητική απόκριση Co
Διαστρωματική κραματοποίηση
Πολυστρωματική διαμόρφωση

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης (EL)
Aristotle University of Thessaloniki (EN)


Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Σχολή Θετικών Επιστημών, Τμήμα Φυσικής

This record is part of 'IKEE', the Institutional Repository of Aristotle University of Thessaloniki's Library and Information Centre found at http://ikee.lib.auth.gr. Unless otherwise stated above, the record metadata were created by and belong to Aristotle University of Thessaloniki Library, Greece and are made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). Unless otherwise stated in the record, the content and copyright of files and fulltext documents belong to their respective authors. Out-of-copyright content that was digitized, converted, processed, modified, etc by AUTh Library, is made available to the public under Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International license (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0). You are kindly requested to make a reference to AUTh Library and the URL of the record containing the resource whenever you make use of this material.

*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)