Structural and magnetic properties of Si(100)/Ta/Co multilayers for spintronics applications

Abstract

Bu tez, DC mıknatıssal sıçratma teknii kullanılarak üretilen Si(100)/Ta/Co tekve çoklu katman ince filimlerin yapısal ve manyetik özellikleriyle ilgilidir. Filimlerinyapısal özellikleri XRD, AFM ve SEM kullanılarak incelenmitir. Bu çalımadan, odasıcaklıında silikon altta üserine büyütülen Co filimin 50 nm'ye kadar amorf bir yapıyasahip olduu anlaılmıtır. Bu kalınlıktan sonra hegzagonal (002) düzlemidorultusunda kristallenmeye balamıtır. Kristallenme, 25 nm'lik amorf filim 4500C'deyüksek vakum ortamında 30 dakika tavlandıktan sonra da görülmütür. 40 nmkalınlıındaki Ta filimin silikon altta üzerine (002) düzlemi dorultusunda tek kristalve tetragonal Ta fazda (-Ta) büyüdüü görülmütür. Si(100)/Ta/Co çift katmanlı veçoklu katmanlı yapılar, Ta ve Co için iyi kristallenme göstermitir. SEM ve AFMsonuçlarıyla, bütün tek ve çoklu katmanların düzenli, sürekli ve çok az pürüzlülüklebüyüdükleri görülmütür.VSM ile histeresis döngüleri ölçülerek filimlerin manyetik özellikleriincelenmitir. Filim kalınlıının ve büyüme basıncının Co filimin manyetik özelliklerineetkileri çalıılmıtır. Örneklerin kolay manyetizasyon eksenlerinin Co film yüzeyineparalel olduu görülmütür. Co filim kalınlıı 4 nm'den 15 nm'ye arttırıldıında artıkmıknatıslanım deeri (Hc) 72 G'dan 20 G'a dümütür ve eik kalınlık deerindensonra 100 nm'ye (180 G) kadar neredeyse lineer olarak artarken manyetizasyondeerinin de dütüü görülmütür. Buna ek olarak, Co filimin büyütme basıncıarttırıldıında, Hc deerinin arttıı gözlenmitir. Son olarak, Si(100)/Ta/Co/TaOx/ Co/Tamanyetik tünel eklemi yapısında iki farkli Hc deeri elde edilmitir.

This thesis is concerned with the structural and magnetic properties ofSi(100)/Ta/Co single and multilayer thin films grown by DC magnetron sputteringtechnique. The structural properties of the films have been studied by X-RayDiffractometer (XRD), Atomic Force Microscopy (AFM) and Scanning ElectronMicroscopy (SEM). This study revealed that a single Co film grows amorphous onsilicon substrate up to 50 nm at room temperature. After this thickness, Co startscrystallizing in hexagonal (002) plane. The same crystallinity was also observed for 25nm amorphous Co which was annealed at 4500C at high vacuum for 30 minutes. Thepresence of a single crystalline tetragonal Ta phase (-Ta) with the orientation along(002) has been observed for 40 nm Ta growth on silicon substrate. The Si(100)/Ta/Cobilayers and multilayers show good crystallinity for both Ta and Co films. SEM andAFM results show that all the single and multilayers grew uniform, continuous and withvery low surface roughness.The magnetic properties of the films were investigated using Vibrating SampleMagnetometer (VSM), by measuring hysteresis loops. The effects of the thickness andgrowth pressure on the magnetic properties of Co films were studied. The easymagnetization axis of the samples is found to be parallel to the Co film plane. As the Cofilm thickness increased from 4 nm to 15 nm, the coercivity (Hc) decreased from 72 G to20 G and after a threshold thickness it increased almost linearly up to 180 G for 100 nmfilm while the magnetization decreased. Moreover, it has been observed that as the Cogrowth pressure increases, the Hc value of Co films increases. Finally, we obtained twodifferent Hc values for our MTJ sandwich with the structure ofSi(100)/Ta/Co/TaOx/Co/Ta.