Structural and magneto-transport properties of Fe/Cu multilayers.

Author
Al-Azriyah, Maya Said.
Publisher
Sultan Qaboos University
Gregorian
2002
Language
English
Subject
English abstract
The primary aim of the present research work was to control the growth of Fe/Cu magnetic multilayers (MLs) on the nanometric scale. Fe/Cu MLs have been prepared by thermal evaporation method. The rate of deposition of individual layers of Fe and Cu has been determined from crystal quartz monitor measurements and grazing angles X-ray diffraction (GXRD) spectra simulation. GXRD results confirmed the successful growth of a multilayered structure. One of the objectives of this work was to investigate the structure and phase adopted by thin Fe layers. Previous work on Fe/Cu system prepared by other methods has shown that Fe may adopt different phases dependent upon the thickness of Fe and the condition of deposition. Structural properties of Fe/Cu MLs have been investigated by using high angle X-ray diffraction (HXRD) and transmission electron microscopy with very high resolution (HRTEM) down to 0.1 mm. Fe/Cu MLs were found to be polycrystalline with an average grain size in the range of 10 - 15 nm. It was found that Fe adopts bcc phase (a-Fe) with (110) as the preferred orientation along the direction of the growth. Cu layers, as expected, adopt foc phase with preferred orientation (111) perpendicular to the plane of the film. However, TEM characterization has confirmed that the first Cu layer grows initially with preferred orientation (110) and (100) textures. This study was complemented with the utilization of conversion electron Mössbauer spectroscopy (CEMS) as a local probe providing complementary information to that obtained by HXRD and HRTEM. percentage by weight of~79 % of bcc Fe phase (a-Fe), 18 % of fcc Fe phase (y-Fe) and a paramagnetic phase of 3 % were determined. The paramagnetic phase was attributed to Fe-Cu alloying at the interface region. The existence of the intermixing of Fe-Cu at the interface or interface roughness was studied by GXRD. An interfacial roughness varying from 0.6 nm to 1.2 nm depending upon the individual thickness of Cu layers was identified. Magnetic and electrical-transport properties were carried out by vibrating sample magnetometer (VSM) and four-point probe (FPP), respectively. Fe/Cu MLs were found to present a ferromagnetic (F) coupling irrespective of Cu thickness layer. This result was interpreted in terms of direct contact of Fe layers via pinholes within a Cu spacer. Electronic transport results have confirmed this assumption as the magnitude of magnetoresistance (MR) did not exceed 0.2 %. The existence of high roughness and therefore strong fluctuation of Cu spacer thickness coupled to the pinholes in the Cu layers were found to be at the origin of the dramatic reduction of MR magnitude. Correlation between magnetic and magneto-transport, and structural properties showed that the spin dependent scattering of conduction electrons, the origin of MR effect, occurs mainly at the Fe-Cu interface with island structures and/or limite Fe/Cu(100) coupled antiferromagnetically (AF.)
Member of
Theses and Dissertations
Resource URL
https://hdl.handle.net/20.500.12408/1064
Arabic abstract
الهدف الأساسي من عمل البحث العلمي الحالي كان تحضير عينات مكونة من طبقات متعددة من الحديد والنحاس . و أيضا التحكم في تكوين هذه الطبقات المنفصلة ذات الخصائص المغناطيسية في المقياس النانومتري (جزء من بليون من المتر) لكل من الحديد والنحاس ، وقد تم تحضير هذه العينات عن طريق التبخر الحراري. لقد حدد معدل الترسيب الطبقات المستقلة للحديد والنحاس عن طريق نظام القياس البلوري الكوارتزي وعن طريق الانحراف الضوئي للأشعة السينية (الحيود). أكدت نتائج عملية الحيود (GXRD ) النمو الناجح لتعددية تركيب الطبقات ، حيث كان التحقق من تركيبة وشكل طبقات الحديد الدقيقة واحد من أهداف هذا العمل الذي أكدته نتائج النمو الناجح لتعددية تركيب الطبقات . لقد أظهرت الدراسات السابقة لنفس النظام (الحديد والنحاس ) أن الحديد قد يتخذ أشكال وأطوار مختلفة تعتمد على سمك طبقة الحديد وعلى طريقة التحضير. إن الخواص التركيبية للعينات قد تم التحقق منها عن طريق انحراف الأشعة السينية بزوايا مرتفعة ( HXRD) ونقل الإلكترون بواسطة المجهر (TEM )بانحلال عالي حتى nm 0 . 2 وقد وجدان جميع العينات عبارة عن بلورات متعددة بحيث يكون مدى حجم کل بلوره من ( 10 - 15mm ). وقد وجد أن الحديد يتخذ شكل البلورة التكعيبية ذات الجسم المركزي (bcc) بافضلية تكيف (110) في عملية النمو. كما كان متوقعا لطبقات النحاس أن تتخذ شكل البلورة التكعيبية ذات الوجه المركزي (fcc ) باولوية تكيف ( 111) على شكل مستوى متعامد على سطح الطبقة ، ومع ذلك فان عملية نقل الإلكترون بواسطة المجهر قد أثبتت أن الطبقة الأولى للنحاس تتزايد بشكل أولي بأفضلية تكيف (100) و (110). لقد تم الاستفادة في هذه الدراسة من تحول الإلكترون عن طريق التحلل الطيفي أو مطياف الموسباور كمحبس موضعي للتزويد بالمعلومات المتممة لتالي التي يحصل عليها من خلال عملية انحراف الأشعة السينية بزوايا مرتفعة (HXRD) وطريقة نقل الإلكترون بواسطة المجهر. باستخدام هذه الطريقة وجد أن نسبة طور الحديد( bcc )هي %79، ونسبة طور الحديد(fcc) هي %18. أما النسبة المتبقية (%3) فهي الطور البارامغناطيسي الذي يعزى إلى اختلاط الحديد مع النحاس في المنطقة البينية بين الطبقات.
ان الامتزاج فيما بين الحديد والنحاس على السطح البيئي او الخشونة، قد درست عن طريق عملية انحراف الأشعة السينية بزوايا صغيرة ( GXRD). وقد وجد أنها تتفاوت بين السطحين من ( 0 . 6mm الي 1 . 2mm) .
لقد قيست الخواص المغناطيسية والإلكترونية للعينات عن طريق اهتزاز العينة بالمقياس المغناطيسي (VSM ) وعن طريق أربعة نقاط مجسمة (FPP) على التوالي. أوجدت هذه القياسات أن الطبقات تظهر ارتباطا عالي النفاذية المغناطيسية بصرف النظر عن سمك طبقة النحاس وقد فسرت هذه النتيجة على اعتبار وجود اتصال مباشر لطبقات الحديد عبر الثقوب الصغيرة المتباعدة داخل النحاس. وقد دعمت نتائج النقل الألكتروني هذه الفرضية وذلك لأن مقدار المقاومة المغناطيسية لم تتخطي ( 0 . 2 % ). وجود الخشونة العالية و بالتالي عدم ثبات سمك طبقة النحاس بالاضافة الى الثقوب الصغيرة في طبقات النحاس وجدت لتكون الأسباب الرئيسية المباشرة لصغرنسية المقاومة المغناطيسية ( MR ). لقد أظهر الربط بين الخصائص المغناطيسية والنقل المغناطيسي والخواص التركيبية للعينات أن تشتت الالكترونات المعتمد على الحالة المنزلية اللكترونات الموصلة، والذي يعتبر أساس ظهور المقاومة المغناطيسية، تحدث في الأغلب عند السطوح البينية بين طبقات الحديد والنحاس. كما تم تفسير وجود هذه الظاهرة بسبب وجود نطاقات محدودة مقترنة بشكل غير عالي الأنفاذية المغناطيسية (AF ).
Category
Theses and Dissertations