Growth and structural characterization of fe/taox/fe magnetic multilayers

Abstract

Bu tezde, Fe/TaOx/Fe manyetik çoklu katmanların büyütülmesi ve yapısalözelliklerinin incelenmesi önerilmektedir. Bu çalışma TaO tabanlı manyetik tüneleklemi (MTJ) üretimi projesinin başlangıç safhası olacaktır. Çoklu katmanlarınüretimi mıknatıssal sıçratma tekniği ile gerçekleştirilmiş ve yapısal incelemesi XRD,SEM ve AFM teknikleri kullanılarak yapılmıştır. Elipsometri tekniği kırılma indisibulmakta ve SQUID manyetometrisi ise histeresis eğrilerini incelemektekullanılmıştır. Demir ince filimin, Si (001) alttaş üzerine 45 derece dönük epitaksiyeltek kristal olarak büyüdüğü görülmüştür. Bunun yanı sıra tantalum filimi demirinaksine silikon üzerine çok düşük kalitede büyümüştür. Bunun ana sebebi Ta ile Siarasındaki büyük örgü parametresi uyuşmazlığıdır. Fakat tantalum, demir ince filimüzerine tek kristal olarak büyümüştür. Ta metalini reaktif oksitleme tekniği ile 2.1kırılma indisine sahip amorf Ta2O5 elde edilmiştir. Fe, Ta ve TaOx ince filimlerininsilikon alttaş üzerine oldukça homojen ve pürüzsüz olarak kaplandığı anlaşılmıştır.Tek katmanlı filimlere ek olarak Fe/Ta ve Fe/TaOx çift katmanlı yapıları büyütülüpfilimlerin birbirleri üzerine nasıl büyüdükleri incelenmiştir. Ta ve TaOx arayüzeyliçok katmanlı yapılar başarılı bir şekilde büyütülmüş ve bunların iyi yapısal özelliklergösterdiği bulunmuştur. Ayrıca, 50 nm kalınlıktaki demir ince filimin histeresis eğrisibu filimin tamamen ferromanyetik olduğunu göstermiştir.

In this thesis, we are proposing to fabricate and structurally characterizeFe/TaOx/Fe magnetic multilayers as an initiative work towards magnetic tunneljunction (MTJ) structures with TaOx spacer layer. The multilayer structures weregrown by magnetron sputtering technique and characterized by X-Ray Diffraction(XRD), Atomic Force Microscopy (AFM), and Scanning Electron Microscopy (SEM).Ellipsometry was used to find the refractive index and the hysteresis loops were takenby SQUID Magnetometer. It was found that Fe grew 45 degree tilted epitaxial singlecrystal on Si (001) substrate at room temperature. Ta growth on silicon had poorcrystal quality due to large lattice mismatch between tantalum and silicon howeverTa single layer on Fe was found to be single crystal with 0.72 FWHM. Reactiveoxidation of Ta film resulted in formation of amorphous Ta2O5 with refractive indexof 2.1. Fe, Ta, and TaOx single layer films were found to be uniform and smooth onsilicon substrate. Bilayer of Fe/Ta and Fe/TaOx were also investigated to understandthe behavior of single layer films on top of each other. Multilayers with Ta and TaOxspacer layers were successfully grown and these multilayers showed good structuralproperties. Furthermore, hysteresis loops of Fe films as thin as 50 nm showedmagnetization comparable with the bulk Fe with the coercive field of 20 Oe.