Instytut Fizyki Jądrowej PAN 27.10.2016 Morfologia i własności magnetyczne planarnych i liniowych nanostruktur metalicznych Małgorzata Kąc
Planarne nanostruktury cienkie warstwy MBE Molecular Beam Epitaxy p = 1 x 10-7 Pa RT V ev = 0.25 0.6 nm/min t Fe = 2 nm Cr Fe t Cr = 1.2 nm t buf = 20 nm, 10 nm lub 0 nm t cap = 5 nm lub 3 nm Wielowarstwy epitaksjalne na podłożu MgO (100) Wielowarstwy polikrystaliczne na podłożu Si (100)
Liniowe nanostruktury nanodruty Co Potencjostat PGSTAT302N 400 nm 6000 nm φ = 30 nm 200 nm L = 1.5 µm 10 µm d = 400 nm 500 nm WE elektroda robocza (katoda) RE elektroda referencyjna (Ag/AgCl) CE elektroda pomocnicza (anoda) Elektrodepozycja U = -0.9 V -1.2 V T = 20 o C 20 o C ph = 2.4 4.7
Zastosowania nanostruktur spintronika elastyczna elektronika technika magnetycznego zapisu informacji czujniki pamięci pola magnetycznego czujniki dźwięku i gazu materiały do produkcji nanomagnesów i elastycznych magnesów trwałych biotechnologia
Własności magnetyczne wielowarstw -1 0 1 B [T] M sprzężenie antyferromagnetyczne H
Efekt Gigantycznego Magnetooporu (GMR) H = 0 H 0 spin up spin down spin up spin down spin up spin down spin up spin down spinowo zależne centra rozpraszania w Fe/Cr międzywierzchnie
Szorstkość międzywierzchni wzrost efektu GMR zwiększenie gęstości spinowo zależnych centrów rozpraszania zmniejszenie efektu GMR skrócenie średniej drogi swobodnej elektronów Wpływ budowy międzywierzchni na efekt GMR Cr Fe MgO (100) kontrolowana modyfikacja wprowadzanie surfaktantów naświetlanie wiązką jonów
Epitaksjalny wzrost warstw Fe i Cr (LEED) MgO (100) Fe Cr cap (Fe/Cr)x6
Wysokorozdzielcza transmisyjna mikroskopia elektronowa (HRTEM) (200) Cr II (200) MgO [011] MgO II [001] Cr HRTEM high resolution transmission electron microscopy
AES Auger electron spectroscopy STEM scanning transmission electron microscopy (HAADF detektor) EDS energy dispersive spectroscopy Ciągłość wielowarstw (AES, STEM, EDS) λ < 0.5 nm
Analiza szorstkości międzywierzchni reflektometria promieniowania X (XRR) spektroskopia mössbauerowska elektronów konwersji (CEMS) σ Fe = 0.2 nm σ Cr = 0.3 nm σ cap = 0.4 nm
Interpretacja widm mössbauerowskich B hf magnetyczne pole nadsubtelne QS rozszczepienie kwadrupolowe IS przesunięcie izomeryczne
Warstwa buforowa Cr (CEMS) R max = 207 Ω R max = 37 Ω
Surfaktanty λ ~ 0.5 nm duży promień atomowy mała energia powierzchniowa nie tworzą związków z modyfikowanym układem małe ilości 15% ML = 0.06 nm Bi, In, Pb
Wpływ surfaktantów na szorstkość międzywierzchni, sprzężenie antyferromagnetyczne i GMR wielowarstwy bez warstwy buforowej wzrost szorstkości
Wpływ surfaktantów na szorstkość międzywierzchni, sprzężenie antyferromagnetyczne i GMR wielowarstwy na warstwie buforowej wzrost szorstkości
Surfaktanty Bi nieznacznie wpływał na szorstkość międzywierzchni Pb i In zwiększały szorstkość międzywierzchni Bi In Pb Fe Cr r [pm] 155 167 176 124 125 ɤ [J/m 2 ] 0.501 0.560 0.560 4.0 2.4 J. Massies, N. Grandjean Phys. Rev. B 48(1993)8502 III, IV (In, Pb) wydłużają SDL wpływa korzystnie na wzrost w układach homoepitaxialnych V, VI (Bi) skracają SDL wpływa korzystnie na wzrost w układach heteroepitaxialnych asymetria międzywierzchni szorstki Cr na Fe gładki Fe na Cr wzrost szorstkości międzywierzchni związany głównie z interdyfuzją powoduje spadek efektu GMR wzrost szorstkości międzywierzchni związany głównie z pofalowaniem międzywierzchni powoduje wzrost efektu GMR
Naświetlanie wysokoenergetyczną wiązką ciężkich jonów TRIM-95 163 MeV Au 15+ 200 MeV I 13+ Fe Cr Fe Cr zasięg [µm] 7.24 7.57 9.58 9.88 (de/dx) n [kev/nm] (de/dx) e [kev/nm] swift heavy ions 0.49 0.44 0.14 0.13 39.73 38.24 35.86 34.07 2 nm Fe 57 2 nm Fe 57 1.5 nm Fe nat 1.5 nm Fe nat 0.5 nm Fe 57 0.5 nm Fe 57 20 powtórzeń
Naświetlanie jonami Au (CEMS) wielowarstwy górne międzywierzchnie trójwarstwy
Własności magnetyczne i magnetotransportowe
Naświetlanie układów Fe/Cr wysokoenergetycznymi jonami złota lub indu wielowarstwy wzrost szorstkości trójwarstwy wygładzanie międzywierzchni dolna i górna międzywierzchnia asymetria oddziaływania wiązki jonów wzrost szorstkości osłabienie sprzężenia AFM i spadek GMR
Planarne nanostruktury CIENKIE WARSTWY Liniowe nanostruktury NANODRUTY 1 cm 50 nm 50 nm 10µm
Liniowe nanostruktury NANODRUTY d φ Anizotropia kształtu (E sh ) ~ L/φ [001] L Anizotropia magnetokrystaliczna (E k ) [100] [110] {111} {100} Oddziaływania dipolowe ~ L, 1/d
Nanodruty - układ eksperymentalny V A CoSO 4 Katoda: Co 2+ + 2e - = Co 2H + + 2e - = H 2 Anoda: 4OH - = 2H 2 O + O 2 + 4e - 2H 2 O = 4H + + O 2 + 4e - jon SO 4 2- jon Co 2+ WE elektroda robocza (katoda) RE elektroda referencyjna (Ag/AgCl) CE elektroda pomocnicza (anoda) P membrana poliwęglanowa Au kontakt elektryczny Skład elektrolitu: 0.63 M CoSO 4 x 7 H 2 O 0.65 M H 3 BO 3 Napięcie katodowe: - 0.9 V - 1.2 V Temperatura elektrolitu: 20 o C 40 o C ph = 2.4 4.7
Membrany poliwęglanowe Parametry membrany poliwęglanowej gęstość porów [pores/cm 2 ] porowatość [%] 30 6 x 10 8 0.14 6 50 6 x 10 8 1.2 6 80 4 x 10 8 2.0 6 100 4 x 10 8 3.1 6 200 3 x 10 8 9.4 10 średnica porów [nm] grubość membrany [μm] φ 30 nm 200 nm L 1.5 µm 10 µm φ = 30 nm φ = 100 nm φ = 200 nm
1 2 3 4 5 2 1 2 3 1 4 φ = 50 nm U = - 1.2 V vs Ag/AgCl T = 25 o C 5 1 2 3 4 4 5
Nanodruty Co po rozpuszczeniu membrany d) φ = 30 nm φ = 50 nm φ = 100 nm φ = 200 nm
φ Oczekiwane własności magnetyczne nanodrutów L M S M R H c średnica NW φ długość NW L napięcie katodowe U temperatura elektrolitu T ph elektrolitu M R / M S 1
Wpływ średnicy i długości na własności magnetyczne nanodrutów
Wpływ ph na strukturę i własności magnetyczne nanodrutów ph = 3.2
Wpływ temperatury i napięcia katodowego na własności magnetyczne nanodrutów
Optymalne parametry małe średnice nanodrutów małe długości nanodrutów 1.5 µm niskie temperatury elektrolitu niskie wartości napięcia katodowego 30 nm 50 nm 20 o C 25 o C -0.9 V - 1.0 V umiarkowane wartości ph (3.2) z tendencją do podwyższenia w celu ograniczenia wydzielania wodoru (3.8)
Podsumowanie W układach epitaksjalnych modyfikowanych surfaktantami zaobserwowano, że wzrost szorstkości międzywierzchni powodował zarówno: GMR, gdy zmiany szorstkości interdyfuzja GMR, gdy zmiany szorstkości pofalowanie W układach polikrystalicznych modyfikowanych wiązką ciężkich jonów powodował GMR szorstkości naświetlanie małymi gęstościami jonów daje największe szanse na wygładzenie międzywierzchni, zaobserwowane w trójwarstwach małe φ, L małe T, U duże H C, M R / M S
Modyfikacja układów wielowarstwowych poprzez naświetlanie jonami złota i jodu staż w Caen w ramach projektu European network on ion track and technology, EUNITT, Contract No. HPRN-CT-2000-00047 Modyfikacja struktury, własności magnetycznych i magnetotransportowych układów cienkowarstwowych Fe/Cr za pomocą surfaktantów In, Pb, Bi grant MNiSW Nr 507 080 32/2310, kierownik: M. Kąc). Badanie efektu giantycznego magnetooporu w funkcji grubości przekładki w wielowarstwowych nanodrutach otrzymywanych metodą elektrodepozycji i analiza pochodzenia tego efektu grant NCN Nr 2012/05/B/ST8/01812, kierownik: M. Kąc). M. Kąc, M. Toulemonde, J. Jaworski, J. Juraszek, R. Kruk, S. Protsenko, V. Tokman, M. Marszałek, Ion modification of the magnetotransport properties of Fe/Cr multilayers, Molecular Physics Reports 40 (2004) 89 M. Kąc, M. Toulemonde, J. Jaworski, J. Juraszek, R. Kruk, S. Protsenko, V. Tokman, M. Marszałek, Swift heavy ion modification of the interface structure in Fe/Cr multilayers, Vacuum 78 (2005) 661 M. Kąc, I. Dezsi, M. Toulemonde, R. Kruk, A. Polit, Y. Zabila, Cs. Fetzer, I. Szucs, M. Mitura-Nowak, V. Tokman, J. Żukrowski and M. Marszałek, Structural and magnetic characterization of Fe/Cr/Fer Trilayers and Fe/Cr multilayers after Swift Au Ion irradiation, Physica Status Solidi A 205 (2008) 1855 M. Kąc, J. Żukrowski, M. Toulemonde, R. Kruk, V. Tokman, A. Polit, Y. Zabila, A. Dobrowolska, Synashenko, M. Marszałek, Swift iodine ion modification of the structural and magnetotransport properties of Fe/Cr systems, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 267 (2009) 925 M. Kąc, A. Polit, A. Dobrowolska, Y. Zabila, M. Krupiński, M. Marszałek, Surfactant influence on interface roughness and magnetoresistance value in Fe/Cr multilayers, Thin Solid Films 542 (2013) 199 M. Kąc, J. Morgiel, A. Polit, Y. Zabila, M. Marszałek, Atomic scale structure investigations of epitaxial Fe/Cr multilayers, Applied Surface Science 305 (2014) 154 M. Kąc, A. Zarzycki, S. Kac, M. Kopec, M. Perzanowski, E. M. Dutkiewicz, K. Suchanek, A. Maximenko, M. Marszalek, Effect of the template-assisted electrodeposition parameters on the structure and magnetic properties of Co nanowire arrays, Materials Science and Engineering B 211 (2016) 75
Tytuł monografii: Wpływ kontrolowanej modyfikacji struktury i morfologii planarnych i liniowych nanostruktur metalicznych na ich własności magnetyczne na przykładzie wielowarstw Fe/Cr i nanodrutów Co ISBN: 978-83-63542-64-1
Podziękowania prof. dr hab. Jan Styczeń prof. dr hab. Wojciech M. Kwiatek dr hab. Marta Wolny-Marszałek dr Arkadiusz Zarzycki dr inż. Marcin Perzanowski mgr Alexey Maximienko dr Yevhen Zabila dr Katarzyna Suchanek dr hab. Bogusław Rajchel dr Żaneta Świątkowska-Warkocka dr Katarzyna Mitura dr inż. Michał Krupiński mgr inż. Amanda Bartkowiak Stanisław Maranda mgr Marek Kopeć mgr Erazm Dutkiewicz dr Robert Kruk dr Jacek Jaworski dr Agnieszka Dobrowolska dr inż. Aleksander Polit dr Jadwiga Kwiatkowska dr Valeriy Tokman dr Serhiy Protsenko dr hab. inż. Jerzy Morgiel dr Jan Żukrowski dr inż. Sławomir Kąc CIRIL/GANIL Caen prof. Marcel Toulemonde (CIRIL) prof. Jacques Teillet (ROUEN) dr Jean Juraszek (ROUEN) dr Francis Studer (CRISMAT)
Dziękuję za uwagę