Mikroszerkezet és mágneses ellenállás kapcsolata nanométeres skálájú multirétegekben
Title in English
Correlation of microstucture and magnetoresistance in nanoscale multilayers
Keywords in Hungarian
multirétegek, mikroszerkezet, óriás mágneses ellenállás (GMR), XRD, XRR, TEM, elektrokémiai leválasztás
Keywords in English
multilayers, microstucture, giant magnetoresistance (GMR), XRD, XRR, TEM, electrodeposition
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
80 %
Ortelius classification: Solid state physics
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
20 %
Ortelius classification: Electrochemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Metals Research Dept. (Research Institute for Solid State Physics and Optics Hung. Acad. Sci.)
Participants
Bakonyi, Imre Dégi, Júlia Tóth, Bence
Starting date
2010-01-01
Closing date
2011-12-31
Funding (in million HUF)
7.999
FTE (full time equivalent)
3.10
state
closed project
Summary in Hungarian
A nanométer nagyságrendjébe eső rétegvastagságokkal rendelkező multirétegek számos sajátsága eltér a megfelelő anyagok tömbi sajátságaitól. Új jelenség például a mágneses/nem-mágneses multirétegekben fellépő óriás mágneses ellenállást (GMR), melynek felfedezését a 2007. évi fizikai Nobel-díjjal jutalmazták.
A fizikai rétegleválasztási (PD) eljárások mellett a viszonylag egyszerű és kis költségigényű elektrokémiai módszert (ED) régóta ígéretes technológiának tartják nanoskálájú multirétegek előállítására. Az ED multirétegek GMR paraméterei az eddigi erőfeszítések ellenére jelenleg még nem érik el a PD multirétegek megfelelő tulajdonságait. A budapesti csoport kutatásainak eredményképpen lényeges javulás történt az utóbbi időben az ED előállítási technológiában, így most már felvethetők a mikroszerkezet és a GMR közötti kapcsolat finom részleteire vonatkozó kérdések.
2007-ben elkészült Freibergben egy diplomamunka Budapesten előállított ED multirétegek szerkezetvizsgálatáról. Ez a munka világosan megmutatta, hogy komoly létjogosultsága van a GMR és a mikroszerkezet közötti kapcsolat tanulmányozásának. Munkánkat 3 kiválasztott rendszeren kívánjuk végezni: (a) Ni/Cu, amely elemek korlátlanul oldódnak egymás lapcentrált köbös (fcc) rácsában; (b) Co/Cu, mely elemek csak csekély mértékben oldódnak a másik elem stabil fázisában [hatszöges szoros pakolású (hcp) Co és fcc-Cu], de jelentős Cu képes oldódni az fcc-Co fázisban; és (c) Co/Ru, amely elemek korlátlanul oldódnak a hcp szerkezetben. Ismert, hogy a rácsillesztetlenség és az oldódás mértékének eltérései jelentősen befolyásolhatják a rétegnövekedési módokat és a létrejövő kristályhiba típusokat, ugyanakkor mindezek erős hatással lehetnek a GMR effektus nagyságára. Ha mindezeket a multirétegeket különböző kristályorientációval is elő tudjuk állítani, további információkat nyerhetünk a mikroszerkezet szerepéről.
A budapesti csoport sokéves tapasztalattal rendelkezik ED multirétegeken és rendelkezésükre állnak a mintaelőállításhoz és a magnetotranszport vizsgálatokhoz szükséges berendezések, míg a freibergi csoportban különleges szerkezetvizsgáló módszerekkel (XRD, XRR, TEM, AFM) hosszú ideje eredményesen dolgoznak PD vékonyrétegek és multirétegek mikroszerkezetének vizsgálatán.
Summary
Multilayers with layer thicknesses at the nanometer scale exhibit various phenomena that are different from bulk properties. Such a new phenomenon is the giant magnetoresistance (GMR) that occurs in magnetic/non-magnetic multilayers. The discovery of GMR was awarded with the Nobel Prize in Physics in 2007.
Electrodeposition (ED) has long been considered as a viable alternative to physical deposition (PD) methods for the preparation of nanoscale multilayers. In spite of the progress on ED multilayers, they are still inferior concerning the GMR parameters in comparison with PD multilayers. The Budapest group has significantly improved the ED multilayer preparation technology, so it is now possible to raise questions concerning the influence of fine details of the microstructure on GMR behaviour.
In 2007, a diploma thesis was completed in Freiberg on a structural study of ED multilayers prepared in Budapest. This work clearly showed that there is a great need for correlating the GMR properties and the structural features observed. We intend to investigate the following 3 systems: (i) Ni/Cu with unlimited mutual solubility in an fcc structure; (ii) Co/Cu with very limited mutual solubility in stable phases (hcp-Co, fcc-Cu) but with some solubility of Cu in fcc-Co; and (iii) Co/Ru with unlimited mutual solubility in the hcp structure. Degree of crystal structure mismatch and mutual solubility can decisively affect layer growth modes and multilayer defect types, all this having a strong influence on GMR. By preparing these multilayers with various crystallographic orientations, further information can be obtained from the impact of the microstructure on GMR.
The Budapest group has a long experience with ED multilayers and the experimental facilities for sample preparation and magnetotransport studies are at their disposal. The Freiberg group has unique facilities for microstructure studies (XRD, XRR, TEM, AFM) and expertise with these techniques on PD thin films.
Final report
Results in Hungarian
Mindhárom kitűzött anyagcsaláddal kapcsolatban lefolytattuk a lehetséges vizsgálatokat:
- A Co-Cu/Cu rendszerrel kapcsolatban feltáruk, hogy a mágneses rétegben tapasztalható szegregáció mértéke nő a Co réteg Cu koncentrációjának növekedésével. A Cu kiválás preferált helye a kristályhatárok mentén található. A mágneses ellenállás csökkenése csak jóval nagyobb Cu koncentrációknál észlelhető, mint ahol a kiválás szerkezetvizsgálati módszerekkel már ténylegesen kimutatható.
- A Co-Ru rendszerrel kapcsolatban kimutattuk, hogy az elektrokémiai Co leválás a nemesebb Ru mellett anomális jellegű. A Co és Ru együttleválására vonatkozóan számos oldatösszetételre meghatároztuk a leváló fém összetételét az áramsűrűség függvényében, és jellemeztük a képződő bevonat felületi morfológiáját a komponensek móltörtjének függvényében. Kis Ru tartalmú Co bevonat vizsgálatával igazoltuk, hogy a Ru szennyező nagyban csökkenti a Co mágneses ellenállását.
- A Ni-Cu rendszerrel kapcsolatosan kimutattuk, hogy az alkalmazott vegyszer minősége meghatározó a képződő multirétegek sajátságaira vonatkozóan. A megvizsgált mintasorozatokban a szerkezetvizsgálati adatok egyértelműen igazolták a multiréteges szerkezet kialakulását.
Az eredeti kutatási tervben kitűzött vizsgálatok mellett megvizsgáltuk számos elektrokémiai úton leválasztott ötvözet összetételét a leválás kezdeti szakaszában, továbbá magnetokalorikus hűtésre vonatkozó kísérletekhez mágneses multiréteg mintákat készítettünk.
Results in English
All the three key element pairs have been studied:
- For the Co-Cu/Cu system, it has been revealed that the segregation within the magnetic layer increases with the increase of Cu concentration in the magnetic layer. The preferred position for the Cu segregation is the crystal boundary. The decrease in magnetoresistance can be seen at a significantly higher Cu concentration only than for which the segregation can be detected with structural studies.
- For the Co-Ru system, it has been observed that the electrodeposition of Co besides Ru is an anomalous process. The composition of the deposits has been determined for a number of solution compositions as a function of the current density, and the morphology of the deposits has been characterized as a function of the molar fraction of the components. It has been verified for alloys with low Ru content that the Ru impurity substantially decreases the magnetoresistance of Co.
- It was observed for the Ni-Cu/Cu system that the quality of the chemicals used has a major impact on the features of the electrodeposited multilayers. For all sample series produced, the structural studies confirmed the formation of a multilayer structure.
Beyond the goal of the original research plan, the composition of the near-substrate zone has been analyzed for several electrodeposited alloy systems. Magnetic mutilayer samples were also produced for experiments related to magnetocaloric refrigiration.
Jafary Fesharaki J; Péter L; Schucknecht T; Rafaja D; Dégi J; Pogány L; Neuróhr K; Széles É; Nabiyouni G; Bakonyi I: Magnetoresistance and structural study of electrodeposited Ni-Cu/Cu multilayers, Journal of The Electrochemical Society 153: D1-D11, 2012
Caballero-Flores R; Franco V; Conde A; Kiss LF; Péter L; Bakonyi I: Magnetic multilayers as a way to increase the magnetic field responsiveness of magnetocaloric materials, Journal of Nanoscience and Nanotechnology (elfogadva), 2012
