Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός νανοδομημένων μαγνητικών υλικών

Abstract

The goal of this thesis is to develop and characterize advanced nanostructured magnetic materials for future applications in nanodevices. The magnetic characterization of materials in the form of thin and multilayered films exhibits new investments of exceptionally great technological interest. More specifically, the development of nanostructured magnetic materials of transition metal-metal oxide type multilayer films was carried out by natural oxidation using the sputtering technique and the study of the magnetic properties both at room temperature and at low and high temperatures. In summary, the structural and magnetic properties of i) Ni-based (Ni/NiO), ii) Co-based (Co/CoO) magnetic multilayers, and iii) the influence of the addition of noble metals such as platinum on Co/CoO and platinum and palladium in Ni/NiO multilayered systems were studied. Experiments with electron microscopy TEM and X-ray diffraction-reflectivity XRD-XRR showed that the samples have excellent layering quality with low roughness. The main results of magnetic measurements with the MOKE magnetometer are summarized in the enhancement of perpendicular magnetic anisotropy after moderate annealing in the Ni-based multilayered system. Low-temperature after field-cooling experiments with the SQUID magnetometer demonstrated important phenomena such as the spin reorientation transition SRT, the large value of the exchange bias EB, and the strong enhancement of the coercive field HC in some systems. As for the Co/CoO multilayer films, they often presented inverted hysteresis loops, in which a successful theoretical attempt to reproduce them was made, while the Co/CoO/Pt systems presented a strong PMA even at room temperature, with large values of exchange field at temperatures of 4–10 K. Nowadays, systems that exhibit perpendicular magnetic anisotropy have a wide range of applications including data storage media on magnetic and magneto-optical disks, which are potential materials for reading heads and sensors in spintronics.

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό προηγμένων νανοδομημένων μαγνητικών υλικών κατάλληλα για εφαρμογές σε νανοδιατάξεις. Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός υλικών υπό μορφή λεπτών και πολυστρωματικών υμενίων, ανοίγει τις πόρτες σε νέες ιδιότητες με εξαιρετικά μεγάλο τεχνολογικό ενδιαφέρον. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε ανάπτυξη νανοδομημένων μαγνητικών υλικών πολυστρωματικών υμενίων τύπου μεταβατικών μετάλλων-οξειδίου μετάλλου με φυσική οξείδωση χρησιμοποιώντας την τεχνική της ιοντοβολής (sputtering) και μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων τόσο σε θερμοκρασία δωματίου όσο και σε χαμηλές και σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Συνοπτικά, μελετήθηκαν οι δομικές και μαγνητικές ιδιότητες μαγνητικών πολυστρωματικών υμενίων i) με βάση το νικέλιο (Ni/NiO), ii) με βάση το κοβάλτιο (Co/CoO) και iii) η επίδραση των ευγενών μετάλλων πλατίνας σε Co/CoO και πλατίνας και παλλαδίου σε πολυστρωματικά συστήματα Ni/NiO. Πειράματα με ηλεκτρονική μικροσκοπία ΤΕΜ και περίθλασης-ανακλαστικότητας ακτίνων Χ, XRD-XRR έδειξαν πως τα δείγματα έχουν εξαιρετική ποιότητα διαστρωμάτωσης και επαναληψιμότητα παραγωγής. Τα κυριότερα αποτελέσματα μαγνητικών μετρήσεων με το μαγνητόμετρα ΜΟΚΕ συνοψίζονται στην ενίσχυση της κάθετης μαγνητικής ανισοτροπίας μετά από μέτρια ανόπτηση στο σύστημα πολυστρωματικών υμενίων με βάση το Ni. Πειράματα σε χαμηλές θερμοκρασίες και με ψύξη υπό πεδίο με το μαγνητόμετρο SQUID κατέδειξαν σημαντικά φαινόμενα, όπως τη μετάβαση επαναπροσανατολισμού των σπιν SRT, τη μεγάλη τιμή πόλωσης ανταλλαγής EB και την ισχυρή ενίσχυση του συνεκτικού πεδίου HC σε ορισμένα συστήματα. Όσον αφορά στα πολυστρωματικά υμένια Co/CoO, παρουσίασαν συχνά ανάστροφους βρόχους υστέρησης, στους οποίους πραγματοποιήθηκε επιτυχημένη θεωρητική προσπάθεια αναπαραγωγής τους, ενώ τα συστήματα Co/CoO/Pt παρουσίασαν ισχυρή PMA ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου, με μεγάλες τιμές πόλωσης ανταλλαγής σε θερμοκρασίες 4 – 10 Κ. Συχνά στις μέρες μας, όταν τέτοια συστήματα εμφανίζουν κάθετη μαγνητική ανισοτροπία βρίσκουν πληθώρα εφαρμογών όπως είναι η εγγραφή πληροφορίας σε μαγνητικούς και μαγνητο-οπτικούς δίσκους, ως υποψήφια υλικά σε κεφαλές ανάγνωσης και αισθητήρες, στη σπιντρονική.