Óriás mágneses ellenállás multirétegekben munkabeszámoló
Tóth Bence MTA SZFKI Fémkutatási Osztály 2011.05.17.
PhD-témám • Óriás mágneses ellenállás (GMR) multirétegekben
• Co/Cu – kezdeti rétegnövekedés tulajdonságai
• Ni-Co/Cu – Σd, dNM, dFM
• Fe-Co/Cu multirétegek – dNM, dFM
előállítás elektrokémiai (ED) úton, elektromos transzport vizsgálata, felületi durvaság mérése AFM-mel 2/27
R/R0
GMR multirétegekben H (kG)
• Mágneses/nemmágneses „szendvicsszerkezetekben”
• 1988 Fert, Grünberg • Spinfüggő szórás • kétáram-modell Mott, Fert-Campbell • 1997 alkalmazás • 2007 Nobel-díj
B>Bs
B=0
3/27
A mágneses ellenállás (MR) • Az elektromos ellenállás változása külső mágneses tér hatására, mely függ az áram (I) és a mágnesezettség (M) irányától
MRFM(%)
0 -1
-9
-6
-3
FM
6
9
MR (%)
mért adatok SPM-komponens FM-komponens
-1 -2 -3
FM
GMRSPM SPM
3
0
• MR(H)=MRFM+GMRSPM·L(μB/kT)
GMRFM
0 H (kOe)
• a technikai telítés (Hs) fölött
FM
LMR TMR
-3
H || M transzverzális MR (TMR)
Bakonyi et al., PRB 70, 054427 (2004)
HS
TMRS
• I || H || M longitudinális MR (LMR) • I
LMRS
-2
-9
-6
-3
0 H (kOe)
3
6
9
4/27
Kísérleti körülmények E(Cu) -550 mV -570 mV -585 mV -600 mV -620 mV -640 mV
-0.3
• Hordozó: – 0,26 mm vastag Si-lapka – 5 nm párologtatott Cr – 20 nm párologtatott Cu
I (mA)
-0.4
-0.5
-0.6 -0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
t (ms) • szulfát-szulfamát típusú fürdő • optimalizált Cu-leválasztási potenciál (-0,585 V vs. SCE) • G/P leválasztás:
– mágneses réteg (Co v. Ni-Co): galvanosztatikus mód (-35,1 mA/cm2) – nemmágneses réteg (Cu): potenciosztatikus mód (-0,585 V vs. SCE) 5/27
Ultravékony Co/Cu multirétegek
Célok • A rétegleválás kezdeti szakaszának vizsgálata • Hogyan indul meg a nukleáció a hordozón? • Vizsgált mintaparaméterek: – Rq – – MR
7/27
GMR 1 Co-rétegben
0.000
-0.005
Co
-6 -4
-2
0
-0.01
0.00 2 4
6
• Co/Cu/Co: ugyanolyan jelleg • 2 rétegpár: multirétegre jellemző GMR
8
H (kOe)-0.01
-0.02
-0.02 -0.03
Co/Cu
-0.03
dCo = 2,0 nm -8 dCu = 5,0 nm
Co/Cu
-8 -6 -4 -2
-6 -4
0
H (kOe)
-2
4
0.00 6 8 -0.01
2
4 -0.02
2
0
H (kOe)
MR (%)
-8
MR (%)
-0.010
0.00
MR (%)
6
8
-0.03 -0.04 -0.05 -0.06
Co/Cu/Co 0.0 -8 -6 -4 -2
• Az első réteg szigetes • Két rétegpárnál már a rétegek közötti FM-FM szórás dominál
0
2
4
6
8
H (kOe) -0.2 MR (%)
MR (%)
0.005
Co/Cu/Co/Cu
-0.4
-0.6
-8 -6 -4 -2
0
2
H (kOe)
4
6
8/27 8
Cserereakció • Hogyan változtatja meg a multiréteg paramétereit a legfölső Co-réteg és a vele kapcsolatban levő elektrolit között végbemenő cserereakció? • Co (2 nm) / T / Cu (5 nm) / Co (2 nm) / T / Cu (5 nm) Cu2+ + Co → Cu + Co2+
• Minél tovább érintkezik az oldat a legfölső Co-réteggel, annál több Co oldódik vissza az elektrolitba → a réteg folytonossága leromlik (ha elég sokáig várnánk, az egész Co-réteg visszaoldódhatna)
→ a mágneses ellenállás lecsökken 0.00
0.00
-0.05
-0.05
-0.05
-0.10
MR (%)
-0.4
0.00
MR (%)
T=0s
-0.2
MR (%)
MR (%)
0.0
-0.10
T=5s -0.6
-8
-4
0 H (kOe)
4
8
-0.15
-8
-4
0 H (kOe)
4
-0.10
T = 20 s
T = 10 s 8
-0.15
-0.15
-8
-4
0 H (kOe)
4
8
9/27 -8
-4
0 H (kOe)
4
8
Hármasréteg-elrendezés Cu(2,5nm)/Co(2,0nm)/Cu(2,5nm) – hogy kiürítsük az elektrolit hordozóhoz közeli részét az a Cu2+-ionokra nézve – hogy oxidmentes Cu-réteget kapjunk, amire a Co-atomok könnyebben tudnak leválni – hogy elkerüljük a cserereakciót a legfölső Co-réteg és az elektrolit között – hogy a korábban optimalizált 5,0 nm-es rézrétegvastagságot kapjuk a multirétegen belül 0.008
1 hármasréteg
0.0
0.004
2 hármasréteg
MR (%)
MR (%)
-0.1
0.000 -0.004
-0.2 -0.3
-0.008 -8
-4
0 H (kOe)
4
8
-8
-4
0 H (kOe)
4
8
10/27
Felületi durvaság • A négyzetes átlagos durvaság (Rq) lineárisan növekedett a rétegvastagsággal
Nhármasréteg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10
• Növekvő vastagsággal az Rq
Rq (nm)
8 6 4
[Cu/Co/Cu]xN dCo = 2.0 nm
2
– telítődött tömbi fémek és ötvözetek esetében, Renner, J.Mater.Res. 15 (2) 458-462 (2000)
– lineárisan nőtt fémekben és ötvözetekben,
0
dCu = 5.0 nm 0
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
teljes multirétegvastagság (nm)
Schwarzacher, J.Phys.Cond.Mat. 16 R859-R880 (2004)
– exponenciálisan nőtt multirétegekben Da Silva, J.Electrochem.Soc. 154 (2) D88-D90 (2007)
11/27
ρML
Fajlagos ellenállás ρsubs
• A sönthatásra korrigálni kell a mért értékeket ML
a
feltevés: ρML nem függ dML-től ρsubs ismert (mérhető) Illesztési paraméter: ρML A ρmért és ρsubs adatokból számolt ρML értékek jól egyeznek az illesztésből kapott ρML értékkel
subs
8
0
1
2
3
Nhármasréteg 4 5 6 7
8
9 10
7 ML
cm)
• • • •
x
d ML d subs
6
(
ρmért
1 x = a x
ρmért
mért korrigált
5
subs
4
0
7 14 21 28 35 42 49 561263 /27 70 teljes multirétegvastagság (nm)
Mágneses ellenállás
Az SPM-járulék a teljes MR-hez ennél a vastagságnál (kb. 40 nm) a minimális Nhármasréteg
0.0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Nhármasréteg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
MRSPM
MRSPM / MR
-4
MR FM mért MR FM korrigált
-5
MRSPM
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
teljes multirétegvastagság (nm)
-0.2 0.16
Nhármasréteg 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-3
0
-0.1
0.20 0.18
MRFM (%)
A teljes mért MR növekszik a vastagsággal Hat hármasrétegnél a sönt- és SPM0 0 korrigált MRFM érték telítődik -1 Az SPM- járulék a vastagsággal -2 monoton nő
-0.3 -0.4
0.14
-0.5 0.12
-0.6 0.10 0
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
teljes multirétegvastagság (nm)
0
7 14 21 28 35 42 49 56 63 70
teljes multirétegvastagság (nm)
13/27 Ishiji, Jpn.J.Appl.Phys, 45 (5A) 4187-4195 (2006)
Ni-Co tömbi ötvözetek
Co/Cu multirétegek
Ni-Co/Cu multirétegek
Célok • optimalizálható paraméterek: – dFM – dNM – cCo
• szuperparamágneses járulék minimalizálása (kis Hs) (Bakonyi et al. PRB ’04)
[Ni-Co/Cu] x N Σd = 50 – 700 nm dCu = 0,8 – 6,0 nm dNiCo = 1,0 – 2,5 nm
cCo = 50 at.%
15/27
Felületi durvaság • Rq növekszik – a növekvő összvastagsággal – a növekvő Cu-réteg vastagsággal
Rq (nm)
• Ez szabad szemmel is látható 250 • 700 nm-nél a levált multiréteg már porózus 200
Da Silva and Schwarzacher, J. Electrochem. Soc. 154 D88-D90 (2007) dNiCo= 2.0 nm dCu 0.8 nm 3.4 nm 6.0 nm
150 100 50 0 0
100 200 300 400 500 60016700 /27 800 d (nm)
Fajlagos ellenállás
(
cm)
• Kis összvastagság: csökkenés a Cu tömbi értéke irányába • növekvő összvastagság: növekvő fajlagos ellenállás d=50nm • Nagyon vastag Cu-réteg 16 d=100nm 14 d=300nm esetén drasztikus d=700nm 12 csökkenés 10 tömbi Ni50Co50
8 6 4
2 tömbi Cu párhuzamos ellenállás-modell
0 0
Bakonyi et al., J. Phys.: Cond. Mat. 11, 963 (1999)
1
2
3
4
5 dCu (nm)
6
7
8
9
17/27
10
MR(dCu) • Nincs oszcilláló GMR • Kb. 5 nm-es rézréteg-vastagságig növekszik • Utána csökken 0
d = 50 nm d = 100 nm d = 300 nm d = 700 nm
GMRFM (%)
-1 -2 -3
NiCo/Cu ML
-4 dNiCo = 2.0 nm -5 1
2
3
4 5 6 dCu (nm)
7
8
9
Cavallotti et al., Electrochem Soc. 18/27Proc. 98-20, 168 (1998)
MR(dFM) • Nagy GMR kis mágneses rétegvastagságnál 0.5 • De ez nagyrészt SPM 0.0 d = 300 nm dNiCo = 1 nm
-0.5
MR (%)
0.0 -0.5 -1.0 Liu et al., JMMM 280, 60 (2004) -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 -5.5 -6.0 -6.5 -7.0
-1.0
d
-1.5 -2.0 -2.5
mért MR Langevin-illesztés MRFM
-3.0
(%) MR MRFM(%)
= 1.6 nm
Cu dCu =0.8nm
-3.5 -8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
MRFM (%)
H (kOe)
1.0
0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0 -5.5 -6.0 -6.5 -7.0
1.5 2.0 dNiCo (nm)
dCu=0.8nm
dCu=6.0nm
2.5 1.0
1.5 2.0 dNiCo (nm)
dCu=6.0nm 19/27
2.5
SPM-járulék minimalizálása • • • • •
A mágneses réteg vastagságától nagyon kevéssé függ ≈3 nm rézvastagság fölött állandó járulék Az összvastagsággal eleinte csökken, majd növekszik ≈4 nm rézvastagság fölött állandó A GMR-optimum 5 nm itt is megfelelő 1.0
0.6
d = 300 nm
dNiCo = 2 nm GMRSPM / MR
GMRSPM / MR
0.8
dNiCo=2.5 nm dNiCo=2.0 nm
0.6
dNiCo=1.5 nm dNiCo=1.0 nm
0.4
d=50nm d=100nm d=300nm d=700nm
0.4
0.2
0.2
0.0 0
1
2
3
4
dCu (nm)
5
6
1
2
3
4
5
6
dCu (nm)
7
8
209/27 10
Fe-Co/Cu multirétegek
Fe-Co/Cu multirétegek • Az optimális rézleválási potenciál függ a Fe oldatbeli koncentrációjától
• A mágneses ellenállás még 6 nm elválasztó rézrétegnél is nő
100 90 80
0
60
-1
LMR
cFe,minta (at.%)
70
50 40
-2
30
-3
20 10 0 0
10
20
30
40
50
60
cFe,oldat,ion (%)
70
80
90
100
0 1 2 3 dC 4 5 u 6
2.0 1.5
1.0
22/27 o C
e dF
Összefoglalás • Rétegleválás és nukleáció kezdeti szakaszának vizsgálata Co/Cu multirétegekben – szigetes növekedés, SPM-FM szórás
• Ni-Co/Cu multirétegek elektromos és mágneses tulajdonságainak vizsgálata – GMR-maximum a nemmágneses réteg vastagságának növelésével – nagy összrétegvastagságnál erős feldurvulás – a vékony mágneses réteg erősen szigetes
• Fe-Co/Cu multirétegek – csak vastag Cu-rétegnél ér el maximumot a GMR 23/27
Jövőbeli tervek • Fe-Co/Cu multirétegek FM és NM rétegeinek vastagság-optimalizálása • Ni-Co/Cu multirétegek szerkezetvizsgálata • PhD-dolgozat megírása
24/27
Publikációk, előadások, iskolák • I. Bakonyi, E. Simon, B.G. Tóth, L. Péter and L.F. Kiss Physical Review B 79, 174421/1-13 (2009) • B.G. Tóth, L. Péter, Á. Révész, J. Pádár and I. Bakonyi The European Physical Journal B 75, 167-177 (2010) • B.G. Tóth, L. Péter and I. Bakonyi: Magnetoresistance and surface roughness study of ultrathin electrodeposited Co/Cu multilayers
• 2010.06.24-25: EAST forum - MINDE workshop, Schwäbisch Gmünd, Németország • 2011.03.16-20: 8th International Workshop on Electrodeposited Nanostructures, Milánó • 2011.04.09-12: European Workshop on Electrochemical Deposition of Thermoelectric Materials, Kaub am Rhein, Németország • 2009.08.30-09.10: European School on Magnetism, Temesvár (+poszter) 25/27
Köszönetnyilvánítás • Bakonyi Imre • Péter László
• Pekker Áron • az SZFKI vezetősége
26/27
Köszönöm a figyelmet!
27/27
Szórási valószínűség N(E)
EF,Pd
N(E)
EF,Cu
d
EF,Co, Ni d↑
s↑
s
paramágnes: n↑=n↓
E d↓
s↓ E
• Mott: ρátmenetifém>>ρnemesfém, mert az s-d szórás miatt ρ~Pszórás~N(EF) • ρ↑~N↑s(EF) << ρ↓~N↓d(EF), ha nincs spinkeveredés 28/27
