Óriás mágneses ellenállás multirétegekben

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, d NM, d FM Fe-Co/Cu multirétegek d NM, d FM előállítás elektrokémiai (ED) úton, elektromos transzport vizsgálata, felületi durvaság mérése AFM-mel 2/27

GMR R/R 0 multirétegekben Mágneses/nemmágneses szendvicsszerkezetekben 1988 Fert, Grünberg Spinfüggő szórás kétáram-modell Mott, Fert-Campbell 1997 alkalmazás 2007 Nobel-díj H (kg) B>B s B=0 3/27

MR (%) MR FM (%) MR FM (%) A mágneses ellenállás (MR) 0 Az elektromos ellenállás változása külső mágneses tér hatására, mely függ az áram (I) és a mágnesezettség (M) irányától I H M longitudinális MR (LMR) I H M transzverzális MR (TMR) -1-2 -3 LMR S TMR S H S -9-6 -3 0 3 6 9 H (koe) LMR TMR a technikai telítés (H s ) fölött MR(H)=MR FM +GMR SPM L(μB/kT) 0-1 mért adatok SPM-komponens FM-komponens Bakonyi et al., PRB 70, 054427 (2004) -2 FM FM -3 FM GMR FM SPM GMR SPM -9-6 -3 0 3 6 9 4/27 H (koe)

I (ma) Kísérleti körülmények Hordozó: 0,26 mm vastag Si-lapka 5 nm párologtatott Cr 20 nm párologtatott Cu szulfát-szulfamát típusú fürdő optimalizált Cu-leválasztási potenciál (-0,585 V vs. SCE) G/P leválasztás: -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 mágneses réteg (Co v. Ni-Co): galvanosztatikus mód (-35,1 ma/cm 2 ) nemmágneses réteg (Cu): potenciosztatikus mód (-0,585 V vs. SCE) -0.3-0.4-0.5-0.6 t (ms) E(Cu) -550 mv -570 mv -585 mv -600 mv -620 mv -640 mv 5/27

Ultravékony Co/Cu multirétegek

Célok A rétegleválás kezdeti szakaszának vizsgálata Hogyan indul meg a nukleáció a hordozón? Vizsgált mintaparaméterek: R q MR 7/27

MR (%) MR (%) MR (%) MR (%) MR (%) 0.005 0.000 GMR 1 Co-rétegben -0.005-0.010 0.00 Co 0.00-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8-0.01 H (koe) -0.01-0.02-0.02 Co/Cu/Co: ugyanolyan jelleg 2 rétegpár: multirétegre jellemző GMR -0.03-0.03 d Co = 2,0 nm d Cu = 5,0 nm Az első réteg szigetes Co/Cu Co/Cu 0.00-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8-0.01 H (koe) -0.02-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 H (koe) -0.03-0.04-0.05-0.06 Két rétegpárnál már a rétegek közötti FM-FM szórás dominál Co/Cu/Co 0.0-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 H (koe) -0.2-0.4-0.6 Co/Cu/Co/Cu 8/27-8 -6-4 -2 0 2 4 6 8 H (koe)

MR (%) MR (%) MR (%) MR (%) 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) Cu 2+ + Co Cu + Co 2+ 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 0.0 0.00 0.00 0.00-0.2 T = 0 s -0.05-0.05-0.05-0.4-0.6-8 -4 0 4 8 H (koe) -0.10-0.15 T = 5 s -8-4 0 4 8 H (koe) -0.10-0.15 T = 10 s -8-4 0 4 8 H (koe) -0.10-0.15 T = 20 s 9/27-8 -4 0 4 8 H (koe)

MR (%) MR (%) Hármasréteg-elrendezés Cu(2,5nm)/Co(2,0nm)/Cu(2,5nm) hogy kiürítsük az elektrolit hordozóhoz közeli részét az a Cu 2+ -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 0.004 0.000 1 hármasréteg 0.0-0.1 2 hármasréteg -0.004-0.2-0.008-0.3-8 -4 0 4 8-8 -4 0 4 8 10/27 H (koe) H (koe)

R q (nm) Felületi durvaság A négyzetes átlagos durvaság (R q ) lineárisan növekedett a rétegvastagsággal 10 8 6 N hármasréteg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Növekvő vastagsággal az R q telítődött tömbi fémek és ötvözetek esetében, Renner, J.Mater.Res. 15 (2) 458-462 (2000) lineárisan nőtt fémekben és ötvözetekben, Schwarzacher, J.Phys.Cond.Mat. 16 R859-R880 (2004) exponenciálisan nőtt multirétegekben Da Silva, J.Electrochem.Soc. 154 (2) D88-D90 (2007) 4 2 0 [Cu/Co/Cu]xN d Co = 2.0 nm d Cu = 5.0 nm 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 teljes multirétegvastagság (nm) 11/27

( cm) ( cm) Fajlagos ellenállás ρ ML A sönthatásra korrigálni kell a mért értékeket ρ mért = 1 a x x feltevés: ρ ML nem függ d ML -től ρ subs ismert (mérhető) x d d ML subs a 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 8 7 ML subs ρ subs N hármasréteg ρ mért ML Illesztési paraméter: ρ ML A ρ mért és ρ subs adatokból számolt ρ ML értékek jól egyeznek az illesztésből kapott ρ ML értékkel 6 5 mért korrigált 4 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 12/27 teljes multirétegvastagság (nm) subs

MR SPM / MR MR FM (%) Mágneses ellenállás 0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 A teljes mért MR növekszik a vastagsággal Hat hármasrétegnél a sönt- és SPMkorrigált MR FM érték telítődik Az SPM- járulék a vastagsággal monoton nő Az SPM-járulék a teljes MR-hez ennél a vastagságnál (kb. 40 nm) a minimális N hármasréteg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 teljes multirétegvastagság (nm) MR SPM -0.1-0.2-0.3-0.4-0.5 N hármasréteg 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.0-0.6 0 7 14 21 28 35 42 49 56 63 70 teljes multirétegvastagság (nm) N hármasréteg 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-1 -2-3 -4-5 MR FM mért MR FM korrigált MR SPM 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: d FM d NM c Co szuperparamágneses járulék minimalizálása (kis H s ) (Bakonyi et al. PRB 04) [Ni-Co/Cu] x N Σd = 50 700 nm d Cu = 0,8 6,0 nm d NiCo = 1,0 2,5 nm c Co = 50 at.% 15/27

R q (nm) Felületi durvaság R q növekszik a növekvő összvastagsággal a növekvő Cu-réteg vastagsággal Ez szabad szemmel is látható 700 nm-nél a levált multiréteg már porózus Da Silva and Schwarzacher, J. Electrochem. Soc. 154 D88-D90 (2007) d NiCo = 2.0 nm 250 200 d Cu 0.8 nm 3.4 nm 6.0 nm 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 60016/27 700 800 d (nm)

( cm) Fajlagos ellenállás Kis összvastagság: csökkenés a Cu tömbi értéke irányába növekvő összvastagság: növekvő fajlagos ellenállás Nagyon vastag Cu-réteg esetén drasztikus csökkenés 16 14 12 10 d=50nm d=100nm d=300nm d=700nm 8 tömbi Ni 50 Co 50 6 4 2 tömbi Cu párhuzamos ellenállás-modell 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 17/27 d Cu (nm) Bakonyi et al., J. Phys.: Cond. Mat. 11, 963 (1999)

GMR FM (%) Nincs oszcilláló GMR Kb. 5 nm-es rézréteg-vastagságig növekszik Utána csökken MR(d Cu ) 0-1 d = 50 nm d = 100 nm d = 300 nm d = 700 nm -2-3 -4-5 d NiCo = 2.0 nm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 d Cu (nm) NiCo/Cu ML Cavallotti et al., Electrochem Soc. 18/27Proc. 98-20, 168 (1998)

MR FM (%) MR FM (%) MR (%) MR (%) MR(d FM ) Nagy GMR kis mágneses rétegvastagságnál De ez nagyrészt SPM 0.0-0.5-1.0 Liu et al., JMMM 280, 60 (2004) -1.5-2.0-2.5-3.0-3.5-4.0-4.5-5.0-5.5-6.0-6.5-7.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5-3.0-3.5 1.0 1.5-6.5 2.0 2.5-7.0 d NiCo (nm) 0.5 0.0 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 d = 300 nm d NiCo = 1 nm d Cu = 1.6 nm d Cu =0.8nm mért MR Langevin-illesztés MR FM -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 H (koe) 1.0 1.5 2.0 2.5 d NiCo (nm) d Cu =0.8nm d Cu =6.0nm 19/27 d Cu =6.0nm

GMR SPM / MR GMR SPM / MR 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 0.8 0.6 d = 300 nm d NiCo =2.5 nm d NiCo =2.0 nm d NiCo =1.5 nm 0.6 0.4 d NiCo = 2 nm d=50nm d=100nm d=300nm d=700nm 0.4 d NiCo =1.0 nm 0.2 0.2 0 1 2 3 4 5 6 d Cu (nm) 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 d Cu (nm) 20/27

Fe-Co/Cu multirétegek

c Fe,minta (at.%) 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 70 0 60 50-1 LMR 40-2 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 c Fe,oldat,ion (%) -3 0 1 2 3 4 dcu 5 6 1.0 1.5 22/27 dfeco 2.0

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) E F,Pd E F,Cu N(E) E F,Co, Ni d s d s paramágnes: n =n E d s E Mott: ρ átmenetifém >>ρ nemesfém, mert az s-d szórás miatt ρ~p szórás ~N(E F ) ρ ~N s(e F ) << ρ ~N d(e F ), ha nincs spinkeveredés 28/27