Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Lohner, Tivadar Molnár, György Neuróhr, Katalin Pekker, Áron Péter, László Pogány, Lajos Révész, Ádám Szász, Krisztián Tóth, Bence
Starting date
2009-01-01
Closing date
2012-12-31
Funding (in million HUF)
6.157
FTE (full time equivalent)
9.85
state
closed project
Summary in Hungarian
A fizikai rétegleválasztási (PD) eljárások mellett a viszonylag egyszerű és kis költségigényű elektrokémiai módszert (ED) régóta ígéretes technológiának tartják jó minőségű, a spintronikában egyre inkább teret nyerő nanoskálájú rétegek előállítására. Ilyen anyagok pl. az óriás mágneses ellenállást (GMR) mutató mágneses/nemmágneses multirétegek (a GMR effektus felfedezését a 2007. évi fizikai Nobel-díjjal jutalmazták).
Az ED multirétegek GMR paraméterei - az eddigi erőfeszítések ellenére, amihez csoportunk is jelentősen hozzájárult - jelenleg még nem érik el a PD multirétegek megfelelő tulajdonságait. Kutatásaink során lényegesen javítottunk az ED technológián, beleértve a csak nagy mágneses térben telíthető GMR járulék kiküszöbölését is.
Ennek alapján most lehetőség nyílik arra, hogy az ED multirétegek GMR tulajdonságainak jelentős javulását érjük el a rétegek kémiai összetételének alkalmas megválasztásával. Az általunk a Co/Cu multirétegeken kidolgozott optimalizációs eljárást kiterjesztenénk a mágnesesen lágyabb viselkedést eredményező Fe-Co/Cu, Co-Ni/Cu és Fe-Co-Ni/Cu rendszerekre, amit még nem végeztek el a szakirodalomban. Újszerű megközelítésként tervezzük a PD módszereknél bevált ún. felületaktív anyagok alkalmazását, ami a nem-mágneses Cu rétegnek Pb, Bi, Ag és/vagy Au elemekkel való kismértékű ötvözését jelenti. Ezek az adalékok az atomsíkonként történő rétegnövekedést segítik elő az ED módszernél eddig tapasztalt szigetes növekedés helyett. Vizsgálni kívánjuk az elektrolithőmérséklet eddig nem tanulmányozott hatását is, ami a nukleációs folyamatok befolyásolásán keresztül szintén egyenletesebb rétegnövekedést eredményezhet. Az eddig csak általunk tanulmányozott Co/Ru multirétegeket is tervezzük újra vizsgálni, amely rendszer mesterséges antiferromágnes (AF) készítését teszi lehetővé a mágneses rétegek közötti erős AF csatolás miatt.
Fémes rétegek elektrokémiai előállításában több évtizedes tapasztalatunk van és kutatócsoportunk rendelkezik a GMR multirétegek előállításához, szerkezeti jellemzéséhez (röntgendiffrakció) és magnetotranszport tulajdonságainak vizsgálatához szükséges eszközökkel. Újdonságként egy tűszondás (AFM) és egy felületi optikai módszerrel (ellipszometria) is vizsgálnánk a nukleációs és rétegnövekedési folyamatokat, amiből várható ismeretek révén hatékonyabban lehet majd ED módszerrel is a jövőben érdekessé váló újabb nanofázisú anyagokat előállítani.
Summary
Electrodeposition (ED) has long been considered as a viable alternative to physical deposition (PD) techniques to provide a simple and cheap technology for preparing high-quality spintronic materials such as magnetic/non-magnetic multilayers with giant magnetoresistance (GMR) behaviour (the discovery of this effect was awarded with the Nobel Prize in Physics in 2007).
In spite of the recent progress on ED multilayers, to a large extent by our group, these materials are still inferior concerning the GMR parameters in comparison with PD multilayers. We have significantly improved the ED preparation technology, including the elimination of GMR contributions with high saturation fields.
On this basis, it is now possible to improve the GMR characteristics of ED multilayers by properly adjusting the layer compositions. The optimization procedure we elaborated on Co/Cu multilayers will be extended to magnetically softer Fe-Co/Cu, Co-Ni/Cu and Fe-Co-Ni/Cu systems which has not yet been carried out in the literaure. As a new approach, the application of surfactants proved to be beneficial for PD multilayers will be introduced also for the ED method. This implies the alloying of the Cu spacer layer with a small amount of Pb, Bi, Ag and/or Au since these elements are known to promote layer-by-layer growth instead of the island-like growth observed until now for ED multilayers. The influence of bath temperature will also be explored by which the nucleation processes can certainly be affected and smoother layer growth can be achieved. We also plan a re-investigation of the Co/Ru system which can be used as an artificial antiferromagnet in spin-valve structures.
The facilities necessary for the preparation, structural characterization (XRD) and GMR measurements are available for the project. As a novelty, the study of nucleation and growth by the available microprobe (AFM) and optical surface (ellipsometry) techniques is also planned.
Final report
Results in Hungarian
Teljesültek a projekt fő célkitűzései az elektrokémiailag előállított (ED) és óriás mágneses ellenállást (GMR) mutató mágneses/nemmágneses multirétegek gócképződési és rétegnövekedési folyamatainak tanulmányozására vonatkozólag. Eddig kilenc folyóiratközlemény jelent meg, köztük egy öszefoglaló cikk a Progress in Materials Science-ben, egy beküldött cikk elbírálás alatt van, további 5 cikk pedig előkészületben van.
Az ED Co/Cu multirétegek nemmágneses rétegéhez adalékolt Pb, Bi és Ag elemek közül a Pb esetén találtunk javulást a GMR-ben. A fürdő hőmérsékletének nem volt jelentős hatása a GMR-re ED Co(-Ni)/Cu multirétegek esetén.
Atomerő mikroszkópiával (AFM) vizsgáltuk a felületi durvaság és a GMR korrelációját ED Co/Cu mulitrétegeknél, különösen a rétegnövekedés kezdeti szakaszában, valamint különböző körülmények között készült ED Ni-Co/Cu multirétegekben.
A korábban alig vizsgált ED Fe-Co/Cu multiréteg rendszerre részletesen meghatároztuk a GMR jelenség megfigyeléséhez szükséges előállítási körülményeket.
Megmutattuk, hogy ED Co/Cu, Ni-Co/Cu and Fe-Co/Cu multirétegek esetén nincs oszcilláló viselkedése a GMR-nek a nemmágneses réteg függvényében.
Mélységprofil analízissel megállapítottuk, hogy ED Fe-Co-Ni and Ni-Fe rétegekben spontán összetételfluktuáció alakul ki leválásnál a hordozó közelében.
Modelleztük a GMR változását a mágneses tér függvényében, hogy jobban megérthessük a kísérletileg megfigyelt GMR görbéket.
Results in English
The major planned tasks of the project aimed mainly at studying the nucleation and growth processes of electrodeposited (ED) magnetic/non-magnetic multilayers with giant magnetoresistance (GMR) behavior were accomplished. A total of 9 papers including a review in Progress in Materials Science have already been published, 1 paper is under review and 5 more papers are under preparation.
As to the influence non-magnetic elements (Pb, Ag and Bi) in the spacer layer on GMR in ED Co/Cu multilayers, a beneficial effect was found in the case of Ag. No significant influence of bath temperature on GMR could be demonstrated for ED Co(-Ni)/Cu multilayers.
Atomic force microscopy (AFM) was used to investigate the surface roughness and its correlation with GMR in ED Co/Cu multilayers especially in the early stages of multilayer formation and in ED Ni-Co/Cu multilayers prepared under various conditions.
The electrochemical preparation conditions for observing GMR were elaborated in detail for ED Fe-Co/Cu multilayers rarely investigated before.
It could be shown that the GMR does not exhibit an oscillatory behavior as a function of the spacer layer thickness for ED Co/Cu, Ni-Co/Cu and Fe-Co/Cu multilayers.
Depth profiling studies revealed a spontaneous composition vairation in the near substrate zone of ED Fe-Co-Ni and Ni-Fe layers.
The magnetic field dependence of the GMR was modelled in order to better understand the experimentally observed GMR curves in multilayers.
K. Neuróhr, L. Péter, L. Pogány, D. Rafaja, A. Csik, K. Vad, G. Molnár, I. Bakonyi: Influence of Ag Additive to the Spacer Layer on the Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Co/Cu Multilayers., J. Electrochem. Soc. 162, D331-D340, 2015
M. Jafari Fesharaki, K. Neuróhr, L. Péter, Á. Révész, L. Pogány, G. Molnár, I. Bakonyi: Influence of Pb Additive to the Spacer Layer on the Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Co/Cu Multilayers., J. Electrochem. Soc. 163, D485-D492 , 2016
I. Bakonyi, L. Péter: Electrodeposited multilayer films with giant magnetoresistance (GMR): Progress and problems, Progress in Materials Science 55, 107-245, 2010
L. Péter, A. Csik, K. Vad, E. Tóth-Kádár, Á. Pekker, Gy. Molnár: On the composition depth profile of electrodeposited Fe-Co-Ni alloys, Electrochimica Acta 55, 4734-4741, 2010
B.G. Tóth, L. Péter, Á. Révész, J. Pádár, I. Bakonyi: Temperature dependence of the electrical resistivity and the anisotropic magnetoresistance (AMR) of electrodeposited Ni-Co alloys, European Physical Journal B 75, 167-177, 2010
L. Péter: Comment on "Magnetoresistance of CoNiCu/Cu Multilayers Electrodeposited from Electrolytes with Different Ni ion concentrations" [J. Electrochem. Soc. 157, D538 (2010)], J. Electrochem. Soc. 158, S1-S2, 2011
B.G. Tóth, L. Péter, I. Bakonyi: Magnetoresistance and surface roughness study of the initial growth of electrodeposited Co/Cu multilayers, J. Electrochem. Soc. 158, D671-D680, 2011
M. Jafari Fesharaki, G.R. Nabiyouni, J. Dégi, L. Pogány, Á. Révész, I. Bakonyi, L. Péter: Anomalous codeposition of cobalt and ruthenium from chloride-sulfate baths, J. Solid State Electrochem. 16, 715-722, 2012
Neuróhr K; Dégi J; Pogány L; Bakonyi I; Ungvári D; Vad K; Hakl J; Révész Á; Péter L: Composition, morphology and electrical transport properties of Co-Pb electrodeposits, Journal of Alloys and Compounds 545, 111-121, 2012
K. Szász, I. Bakonyi: Modeling the magnetoresistance versus field curves of GMR multilayers with antiferromagnetic and/or orthogonal coupling by assuming single-domain state and coherent rotations, Journal of Spintronics and Magnetic Nanomaterials 1, 157-167, 2012
Tóth BG; Péter L; Dégi J; Révész Á; Oszetzky D; Molnár G; Bakonyi I: Influence of Cu deposition potential on the giant magnetoresistance and surface roughness of electrodeposited Ni-Co/Cu multilayers, Electrochimica Acta 91, 122-129, 2013
Neuróhr K; Csik A; Vad K; Molnár G; Bakonyi I; Péter L: Near-substrate composition depth profile of direct current-plated and pulse-plated Fe-Ni alloys, Electrochimica Acta 103, 179-187 , 2013
B.G. Tóth, L. Péter, J. Dégi and I. Bakonyi: Magnetoresistance and surface roughness study of electrodeposited Ni50Co50/Cu multilayers., J. Electrochem. Soc. 160, D307-D314 , 2013
B.G. Tóth, L. Péter, L. Pogány, Á. Révész and I. Bakonyi: Preparation, structure and giant magnetoresistance of electrodeposited Fe-Co/Cu multilayers, J. Electrochem. Soc. 161, D154-D162, 2014
Neuróhr K; Bakonyi I; Péter L: Dependence of GMR on deposition bath temperature for electrodeposited Co/Cu and Ni-Co/Cu multilayers, (manuscript in preparation), 2013
Péter L, Csik A, Vad K, Molnár G: Transport coefficient of Fe2+ ions in the electrolyte during the deposition of Fe-Co-Ni alloys as determined from the composition depth profile of the deposits, (manuscript in preparation), 2013
Events of the project
2013-01-22 14:21:58
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Fémkutatási Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Komplex Folyadékok Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).
