Yüksek duyarlılıklı manyetik sensörlerde kullanılan coo bazlı exchange bias sistemlerinin geliştirilmesi

Abstract

Mevcut teknolojik cihaz üretiminde, elektriksel iletim elektron hareketi ile sağlanır ve hemen hemen bütün elektronik cihazlar, elektronun yükü temel alınarak geliştirilmiştir. Son yıllarda, elektronun yükü ile birlikte elektronun spininden de yararlanan ve buna dayalı yeni nesil elektronik cihaz üretmeyi amaçlayan Spintronik adlı yeni bir bilim dalı ortaya çıktı. Spintronik biliminin temeli, dev manyetodirenç (GMR) etkisinin keşfi ile atıldı. Günümüzde GMR etkisi, daha çok hard disklerin okuma kafalarını oluşturan manyetik hetero-yapılarda kullanılmaktadır. Manyetik kayıt ortamına yakın olan ferromanyetik (FM) katmanın manyetik açıdan yumuşak olması gerekirken, diğer FM katmanın manyetik açıdan sert olması gerekir. Bu durum, FM katman üzerinde antiferromanyetik (AFM) bir katmanın büyütülmesi ve iki katman arasında exchange etkileşmesinin kurulması ile sağlanır. Bu exchange etkileşmesi, manyetik histeresis eğrilerinin alan ekseni doğrultusunda kaymasına neden olur. Bu tezde, MgO(111) ve MgO(100) alttaşları üzerinde büyütülen NiFe/CoO ve CoO/Fe iki katlı filmlerin manyetik ve yapısal özellikleri ferromanyetik rezonans (FMR), titreşimli örnek manyetometre (VSM) ve x-ışını kırınımı (XRD) teknikleri kullanılarak araştırıldı. Kristal yönelimi ve kalitesinin, büyütülen ince filmlerin exchange bias özelliklerini çok fazla etkilediği gözlemlendi. MgO alttaş üzerinde, Py katmanının yerine CoO büyütülünce, CoO'in kristal kalitesi artmakta ve stokiyometrik Co1O1 fazına ulaşılmaktadır. Gözlemlenen en yüksek exchange bias değeri, uncompensated spin davranışı ile açıklandı. Mıknatıslanma ölçümlerinden sistemin blocking sıcaklığı yaklaşık 160 K olarak belirlendi. FMR ölçümlerinden, MgO(100) alttaşı üzerinden büyütülen Fe ince filminin epitaksiyel ve dört katlı manyetokristal anizotropi ile büyüdüğü gözlemlendi. Fe ince filmi için Gilbert sönüm sabiti hesaplandı. Hem FMR hemde VSM ölçümlerinden belirlenen sistemin blocking sıcaklığının aynı olduğu görüldü.

Electrical transport is generally done by electron charges in many technological devices. In recent years, a new field Spintronics that uses the electron spin in addition to its charge has been emerged. Spintronics was born with the discovery of giant magnetoresistance (GMR) effect used in modern magnetic recording devices. In order to use GMR effect in devices, a phenomenon called exchange bias is required. Exchange bias can be defined as a shift of the magnetic hysteresis loop along the field axis due to the exchange coupling between an antiferromagnetic and a ferromagnetic layer.In this thesis we have investigated the magnetic and structural properties of the NiFe/CoO and CoO/Fe bilayer thin films grown on MgO(111) and MgO(100) substrates using x-ray diffraction (XRD), ferromagnetic resonance (FMR) and vibrating sample magnetometer (VSM) techniques.It was observed that crystallographic orientation and crystal quality strongly affected the exchange bias values. When the CoO layer is firstly grown on MgO(111) and MgO(100) substrates, instead of the NiFe layer, the increase of the crystalline quality and stoichiometric Co1O1 phase has been achieved. The observed highest exchange bias value was unveiled with the uncompensated spins in CoO(111) surface.For CoO/Fe thin film on MgO(100) substrate, FMR measurements reveal that the Fe layer is epitaxially grown on MgO substrate with four-fold magnetocrystalline anisotropy. Gilbert constant was calculated as 0.007. From both low temperature FMR and VSM measurements, the blocking temperature of the system was determined.