Mágneses multirétegek módosítása amorf ötvözetekkel
Angol cím
Magnetic multilayers modulated by amorphous alloys
magyar kulcsszavak
amorf, mágneses multiréteg, Mössbauer spektroszkópia
angol kulcsszavak
amorphous, magnetic multilayer, Mössbauer spectroscopy
megadott besorolás
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Szilárdtestfizika
zsűri
Fizika
Kutatóhely
SZFI - Kísérleti Szilárdtest-fizikai Osztály (HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont)
résztvevők
Bujdosó László Csontos Miklós Dézsi István Kaptás Dénes Kiss László Ferenc Scherübl Zoltán Süle Péter
projekt kezdete
2015-01-01
projekt vége
2019-12-31
aktuális összeg (MFt)
25.936
FTE (kutatóév egyenérték)
14.56
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás fő célkitűzése, hogy amorf illetve részben amorf mágneses multirétegek szerkezeti és mágneses tulajdonságait, különböző előállítási lehetőségeit vizsgálja. Néhány nanométeres rétegvastagságok esetén a rétegek atomi szintű illeszkedése és a rétegek között a növesztés során kialakuló határréteg szerkezete és kiterjedése egyaránt meghatározó szerepet játszik mind a mágneses, mind az egyéb fizikai tulajdonságokban.
A határréteg tulajdonságainak vizsgálata és különböző mintaelőállítási technikákkal történő alakítása évtizedek óta képezi kutatások tárgyát kristályos anyagok esetén, de az amorf ötvözetrétegek kristályos vagy más amorf ötvözetekkel képezett határrétegéről még nagyon kevés publikált eredmény van. Mössbauer-spektroszkópia segítségével nemrégiben elsőként mutattuk meg, hogy a B rétegek között levő Fe esetén kialakuló amorf ötvözet-határréteg eltérő összetételű a növesztési irány szerinti alsó illetve felső oldalán a vasrétegnek [1], ami a mágneses tulajdonságokban is megmutatkozik.
A páláyzat keretében egyrészt Fe és más kristályos rétegek (pl. Zr, Ti, Y) határán egyes esetekben létrejövő amorf ötvözeteket, másrészt együttes leválasztással előállított különböző összetételű amorf ötvözetrétegek között kialakuló határrétegek tulajdonságait szeretnénk vizsgálni. A vizsgálatok fő eszköze a rezonáns atom lokális környezetére érzékeny Mössbauer spektroszkópia, amivel információt nyerünk nem csak a határréteg kiterjedésére és kémiai összetételére, de mágneses tulajdonságaira is.
1. J. Balogh et al. Top and bottom interfaces in Fe-B multilayers investigated by Mössbauer spectroscopy Phys. Rev. B 85, 195429 (2012).
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Kutatásunk kiinduló hipotézise, hogy a multirétegeket alkotó rétegek közötti illeszkedés és keveredés tekintetében az amorf ötvözetekből felépített multirétegek előnyös tulajdonságokkal rendelkezhetnek a kristályos multirétegekhez képest. A projekt során a következő kérdésekre szeretnénk választ kapni:
- Az atomi leválasztás során a vas és egyes kristályos anyagok határán kialakuló amorf határréteg milyen elemi rétegeknél különbözik a vas réteg alsó és felső oldalán? Megállapítható-e valamilyen szisztematika a felületi energiák, olvadáspont, keveredési hő vagy más releváns paraméterek függvényében? Ilyen minták utólagos hőkezelésével kialakítható-e váltakozó összetételű amorf mágneses nanoszerkezet?
- Milyen a keveredés mértéke a vas és az együttes elemleválasztással készített amorf ötvözetrétegek, illetve a különböző összetételű amorf ötvözetrétegek között? Csökkenthető-e ilyen módon a mágneses ellenállás kis terekben nem telítődő komponense?
- Hogyan befolyásolják egymás mágneses tulajdonságait a nanométeres vastagságú amorf mágneses rétegek?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A multirétegek növekedése során sok esetben létrejövő amorf határréteg kialakulását régóta vizsgálják úgy kísérletileg, mind elméletileg. Az is régóta ismert, hogy egy réteg növekedési irány szerinti alsó és felső kristályos határrétege számos multiréteg rendszerben különböző. Az amorf határréteg esetleges különbözőségére a kristályos réteg két oldalán - az általunk vizsgált Fe-B rendszeren kívül - nincs adat az irodalomban. A tervezett szisztematikus vizsgálat hozzájárul az amorf határréteg kialakulási mechanizmusának jobb megértéséhez.
Amorf ötvözetrétegek a komponensek együttes leválasztásával is előállíthatók. A kristályos rétegek és az így előállított amorf rétegek, illetve az ilyen módon előállított különböző összetételű amorf ötvözetrétegek közötti keveredés szintén kevéssé tanulmányozott az irodalomban. Az ezen a téren tervezett vizsgálatok az egyes alapkutatási kérdésekre keresett válaszokon túl (mágneses ellenállás, ultra-vékony rétegek mágneses egymásra hatása) hasznos információt szolgáltathatnak számos mágneses alkalmazás számára is (pl. szenzorok, adattárolók, spintronikai eszközök).
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A mesterséges multirétegek olyan nanométeres léptékű periodikus szerkezetek, amelyeket atomonként építünk fel különböző elemeknek valamilyen hordozóra történő leválasztásával, például párologtatással vagy ionos porlasztással. Ilyen rétegszerkezetek manapság már számos optikai és elektronikai eszközben kerülnek alkalmazásra. A mágneses komponenst is tartalmazó rétegszerkezetek fontos elemei például a számítógépes adattárolásnak és kiolvasásnak.
A mágneses tulajdonságokat nagyban befolyásolja az, hogy a különböző atomokból álló rétegek hogyan tudnak illeszkedni egymáshoz, és milyen mértékben keverednek össze. Munkánk célkitűzése, hogy amorf, azaz szabályos atomi elrendeződést nem mutató ötvözetrétegek alkalmazásával próbáljuk elkerülni az illeszkedési problémákat és csökkenteni a keveredés mágneses tulajdonságokat hátrányosan befolyásoló hatását.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The main goal of our research is to investigate the structural and magnetic properties of amorphous or partly amorphous magnetic multilayers and their preparation routes. In case of few nanometer layer thickness the matching of the different layers at the atomic level and the structure and extent of the layer interfaces forming during the layer growth play a decisive role both in the magnetic and in other physical properties. The examination of the properties of the interface and the modification of it by different sample preparation methods are the subject of investigations since long in case of crystalline materials, but there are very few published results on the properties of the interface between amorphous layers and crystalline layers or between different composition amorphous layers. With the help of Mössbauer spectroscopy we have shown recently for the first time that the amorphous interface formed between Fe and B is different along the growth direction [1]. It has different composition at the bottom and top side of the iron layer, which results in different magnetic properties. In the framework of the project we would like to study the amorphous alloys formed at the interface of Fe and certain crystalline layers (e.g. Zr, Ti, Y) and also the interface formed in between different composition amorphous layers prepared by co-deposition of the elements. Mössbauer spectroscopy is the main tool of the investigations, since being sensitive to the local neighborhood of the resonant atom, it gives information on the extent and chemical composition of the interface, as well, as on its magnetic properties.
1. J. Balogh, et al., Phys. Rev. B 85, 195429 (2012).
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The starting hypothesis of our research is that the multilayers constructed from amorphous alloys may show advantageous properties as compared to those constructed from crystalline layers in the respect of structural matching and interface mixing. The following questions are intended to be answered by the project:
- In what cases the amorphous interfaces, formed in between iron and certain crystalline elements during the atomic deposition process, differ at the top and bottom sides of the iron layer? Is there a systematic behavior as a function of surface energies, melting temperatures, mixing energies or other relevant parameters? Is it possible to create an amorphous nanostructure of periodically varying composition by post.annealing of such multilayers?
- What is the extent of mixing in between iron and co-depositied amorphous alloys or in between different composition amorphous alloy layers? Is it possible to reduce this way the magnetorsistance component which does not saturate in small fields?
- How the nanometer scale amorphous layers influence each other’s magnetic properties?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The formation of amorphous interfaces in many cases during multilayer growth is investigated since long both experimentally and theoretically. It is also well known that the bottom and top crystalline interfaces, as distinguished by the growth direction, are different for many multilayer systems. As for the possible difference of the amorphous interface at the two sides of a crystalline layer, there is no data in the literature other than our work on the Fe-B system [1]. The systematic investigation planned contributes to the better understanding of the formation mechanism of the amorphous interface.
Amorphous alloy layers can also be produced by co-deposition of the components. The interfaces formed between crystalline layers and such amorphous layers or between amorphous layers with different compositions are also rarely studied in the literature. The investigations planned on this field contribute to the answering of some questions of basic research fields (magnetoresistance, magnetic proximity effect of ultra-thin amorphous layers) as well, as provide useful information for several magnetic applications (sensors, data storage, spintronic devices).
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The artificial multilayers are nanoscale periodic structures, which are built up atom by atom when different elements are deposited onto a substrate by vacuum evaporation or ionic sputtering, as examples. Nowadays, such layered structures are used in many optical and electronic devices. Layered structures containing magnetic elements, are important components for data storage and reading in computers.
The quality of the atomic level matching of the different layers and the extent of mixing between them greatly influence the magnetic properties. The aim of our work is to check out if the application of amorphous alloy layers, that is materials without any regular arrangement of the atoms, can help to avoid problems arising from poor layer matching and can reduce the disadvantageous effect of layer intermixing on the magnetic properties.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
Mössbauer spektroszkópiai méréseket végeztünk, hogy tanulmányozzuk párologtatott Fe és egyéb (Al, Ti, Nb) fémrétegek határfelülete hogyan függ a deponálás sorrendjétől. Ezt esetenként kiegészítettük elektronmikroszkópos és röntgen-reflektometriai mérésekkel, valamint a rétegnövekedés molekuladinamikai szimulációjával. Az Al és Ti esetében a Fe réteg alján és tetején kialakuló határrétegek határozottan különböznek úgy a vastagság, mint a létrejövő mágneses és nemmágneses (amorf) ötvözetfázisok arányában. A Nb esetében a két határréteget hasonlónak találtuk mind vastagságban, mind fázisarányokban. Ti/Fe/Ti hármasrétegben a Fe/Ti és a Ti/Fe részben amorf határrétegek hőkezelés hatására végbemenő eltérő növekedését is kimutattuk Mössbauer spektroszkópiával, amit a kezdeti különbség alapján tudtunk magyarázni. A határréteg aszimmetriája multi-hármasrétegekben (Fe/Ti/Ag és Ti/Fe/Ag blokkokból felépített) is megőrződik és különböző mágneses tulajdonságokra vezet az elemi blokkok azonos vastagsága mellett. A határréteg durvaságának hatását Fe/Ag multirétegekben vizsgáltuk a szuperparamágneses tulajdonságokon keresztül. Rámutattunk, hogy az alsóbb rétegek felületi/határfelületi durvasága módosítja a Fe szemcsenövekedési folyamatát és befolyásolja a rétegek közötti mágneses kölcsönhatásokat, ami a blokkolási hőmérséklet növekedéséhez vezet növekvő rétegszámmal.
kutatási eredmények (angolul)
Mössbauer spectroscopy measurements were done to study how the interface of evaporated Fe and other metals (Al, Ti, Nb) depends on the deposition sequence. It was eventually complemented by electronmicroscopy and x-ray reflectometry measurements and also by molecular dynamic simulation of the layer growth. In case of Al and Ti the interfaces formed at the bottom and top of the Fe layer were found definitely different both with respect to the thickness and to the ratio of the magnetic and non-magnetic (amorphous) alloy phases evolved. In case of Nb the two interfaces were found very similar both in thickness and in ratio of the alloy phases. In Ti/Fe/Ti trilayer the different growth properties of the partly amorphous Ti/Fe and Fe/Ti interfaces during annealing was also revealed by Mössbauer spectroscopy and the discrepancies could be explained by the initial difference. The interface asymmetry is preserved in multi-trilayers (built from Fe/Ti/Ag or Ti/Fe/Ag blocks) leading to different magnetic properties in spite of the equal width of the elemental blocks. The effect of interface roughness was examined in Fe/Ag multilayers through the superparamagnetic properties. Surface or interface roughness of the underlying layers were shown to modify the conditions of the Fe-grain growth and also to effect the magnetic interactions between the layers, thereby leading to the increase of the blocking temperature with increasing bilayer number.
P. Süle, D. Kaptás, L. Bujdosó, Z. E. Horváth, A. Nakanishi, and J. Balogh: Chemical mixing at “Al on Fe” and “Fe on Al” interfaces, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 118, 135305, 2015
J. Balogh, P. Süle, L. Bujdosó, Z. E. Horváth, D. Kaptás, A. Kovács, D. G. Merkel, A. Nakanishi, Sz. Sajti, L. Bottyán: Asymmetric alloy formation at the Fe-on-Ti and Ti-on-Fe interfaces, Journal of Physics-Condensed Matter 30 (2018) 455001, 2018
L. F. Kiss, J. Balogh, L. Bujdosó, D. Kaptás: Magnetic properties of Fe-Ag multilayers with varying layer thickness and bilayer number, PHYSICAL REVIEW B 98 : 14 Paper: 144423 , 10 p., 2018
