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Magnetowiderstand- und Mikrostruktur-Eigenschaften in gesputterten granularen Co25Ag75- und (Co0.9Al0.1)xAg1-x-Schichten

Öksüzoglu, Ramis Mustafa :
Magnetowiderstand- und Mikrostruktur-Eigenschaften in gesputterten granularen Co25Ag75- und (Co0.9Al0.1)xAg1-x-Schichten.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2001)

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Ergebnisse und Diskussion für granulare Co25Ag75 Schichten - PDF
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Ergebnisse und Diskussion für granulare (Co0.9Al0.1)xAg1-x Dünnschichten - PDF
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Auswertung von Hysterese - Schleifen - PDF
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetowiderstand- und Mikrostruktur-Eigenschaften in gesputterten granularen Co25Ag75- und (Co0.9Al0.1)xAg1-x-Schichten
Language: German
Abstract:

Seit der Entdeckung des Magnetowiderstandseffektes (Giant Magnetoresistance, GMR) in magnetischen granularen Schichten im Jahr 1992, haben diese Materialien neben den Viellagenschichtsystemen eine zunehmende Interesse für Anwendungen in der Sensorik (z.B. kontaktlose Positions- und Winkelmessungen von bewegten Teile) gewonnen. Granulare Schichten setzten sich aus magnetischen Ausscheidungen, die innerhalb einer nichtmagnetischen Matrix eingebettet sind, zusammen. Ziel dieser Arbeit war zunächst die Herstellung von gewählten granularen Schichtsystemen durch Sputter-Technik und die Untersuchung der bisher nur unzugänglich verstandenen Zusammenhänge zwischen der Wachstumscharakteristik der Schicht, der atomischen Struktur der magnetischen Ausscheidungen und den makroskopisch gemessenen Magnetotransport und magnetischen Eigenschaften sowie Einflusses von Temperatur und Aluminiumdotierung. Für dieses Ziel wurden in der vorliegenden Arbeit zwei granularen Schichtsysteme ausgewählt und untersucht. Diese sind zum einen, das in der Literatur bereits intensiv diskutierten Kobalt-Silber System und das unter diesem Aspekt bisher nicht untersuchte Kobalt-Silber-Aluminium-System. Das Dünnschichtsystem Kobalt-Silber, insbesondere bei der Zusammensetzung Co25Ag75 mit dem größten GMR-Effekt, wurde von anderen Autoren bereits intensiv untersucht. Jedoch waren hierfür noch keine systematischen Untersuchungen bekannt, welche sich intensiv mit dem Wachstumsprozess dieser Schichten und der Größe des GMR-Effektes in Abhängigkeit von der Schichtdicke befasst haben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde für das binäre System Co25Ag75 erstmals die theoretisch vorausgesagte - aber bisher nur bei Einkomponentensysteme beobachtete - Änderung der Oberflächenrauhigkeit als Funktion der Schichtdicke (Dynamischer Skalierungsprozeß) nachgewiesen. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Größe des beobachteten GMR-Effekts, sowohl durch die Phasentrennung zwischen (magnetischem) Kobalt und (nichtmagnetischem) Silber, als auch durch die Dicke der Schicht beeinflusst wird. Interessante Einblicke in das Wachstumsverhalten von dünnen Schichten ergaben auch die elektronenmikroskopische Untersuchung an diesen Schichten. Hiermit konnte sowohl die Natur, als auch die Verteilung der Elemente in der Schicht studiert werden. Neben der Bestätigung des bisher angenommenen kolumnaren Wachstums der Silbermatrix konnte durch Analyse von Hochauflösungsaufnahmen erstmals zweifelsfrei belegt werden, dass die magnetische Spezies in den präparierten Schichten in ihrer hexagonalen und nicht in ihrer kubischen Modifikation vorliegt. Da der Einfluß geringer Mengen Fremdstoffe auf die GMR-Eigenschaften bisher nur unzureichend untersucht war, wurden Kobalt-Silber-Dünnschichten mit variablem Aluminiumanteil hergestellt. Der an den Schichten gemessene GMR-Effekt ist dabei in Schichten mit der Zusammensetzung (Co90Al10)28Ag72 am größten (5,7 %). Dieser ist gegenüber dem bei der binären Schicht Co25Ag75 gemessenen Effekt (13,9 %) deutlich abgeschwächt. Die Größen von Kobalt-Teilchen in der untersuchten (Co90Al10)28Ag72-Schicht mit 1.0 - 1.5 nm liegen dabei in ähnlicher Größenordnung wie in der Co25Ag75-Schicht. Dieses Ergebnis zeigt, dass die Dotierung mit Aluminium keinen Einfluss auf die Größe von Kobalt-Teilchen hat. Weiterhin wurde gefunden, dass die bei den undotierten Proben störend auftretende Kornvergröberung an der Oberfläche durch die Dotierung fast gänzlich unterdrückt wird. Neben dem Einfluß der Aluminiumkonzentrationen auf die GMR-Eigenschaften der hergestellten Schichten wurde auch der Einfluß der Temperatur untersucht. Hierzu wurden die Proben bei unterschiedlichen Temperaturen (bis maximal 823 K) getempert und anschließend untersucht. Als wesentliches Ergebnis dieser Reihenuntersuchung konnte gefunden werden, dass der GMR-Effekt (im Gegensatz zu der binären Probe) im wesentlichen von der Temperatur unabhängig ist. Dieses ist eine weitere positive Eigenschaft dieser Schicht, insbesondere für die eingangs bereits erwähnte Anwendung in Sensoren bei erhöhten Betriebstemperaturen. Als positiv für eine potentielle Anwendung konnte auch die Abnahme des Ummagnetisierungsfeldes (geringeres MR-Sättigungsfeld) in den getemperten Proben vermerkt werden. In den getemperten Co-Ag-Al Schichten fand eine Vergrößerung der magnetischen Kobalt-Teilchen statt. Parallel hierzu wurde eine Vereinheitlichung in der Struktur der Schicht beobachtet, welche zu einer Zerstörung der kolumnaren Wachstumszonen führt. Durch Elektronenbeugungsaufnahmen an diesen Schichten konnte festgestellt werden, dass bei höheren Temperaturen (bis 823 K) neben einem Gemisch aus hexagonalem und kubischem Kobalt, die Phase Ag3Al vorliegt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Since discovery of the giant magnetoresistance in magnetic granular layers in year of 1992, these material systems, beside of the multilayer, have been gain increasing interest for sensor applications (for example, contact loss measuring of the position and angle at the moving components). A typical granular layer consists of magnetic grains, which are embedded in a nonmagnetic metallic matrix. The aim of this work was firstly the production of chosen granular layer systems by sputter deposition technique and then analyses of correlations between growth characteristic of this films, the atomic structure of magnetic grains and magneto transport properties, as well as influence of temperature and aluminium on the film microstructure and magneto transport properties. These correlations were not understood so far clearly in literature. For this purpose, two granular layer systems were chosen and investigated. These are firstly, the cobalt-silver system -already intensively discussed in the literature- and the cobalt-silver-aluminium system, which was not investigated under this aspect. The granular layer system cobalt-silver, in particularly for composition Co25Ag75 with maximum GMR effect, was intensively be investigated by the other authors. However, any systematically investigation about growth process of granular layers and size of GMR effect in depending of the layer thickness were not still known. In this work, for the first time, the variation of the surface roughness with layer thickness (dynamic scaling process) was proved, which was only theoretically predicted and observed by the one-component layer systems. Furthermore it could be showed that the size of the GMR effect were influenced both, by phase separation between magnetic cobalt and nonmagnetic silver, and by the thickness of Co25Ag75 granular films. The investigations of the Co25Ag75 films with transmission electron microscopy showed a columnar growth of the silver matrix in films and the distribution of both elements. The analyses of the high-resolution images proved without doubt the hexagonal structure of the magnetic grains for the first time. Since influence of minor amount of strange elements as aluminium on the structural, magnetic and magneto transport properties was investigated insufficient, a series of (Co90Al10)1-xAgx (x = 19 -50) granular films were sputter deposited. A maximum GMR effect was observed in (Co90Al10)28Ag72 film with 5.7 %. Al dopping into CoAg films reduces the GMR ratio in comparison with Co25Ag75 with a GMR ratio of 13,9 %. The size of the Co clusters as estimated from these images range from 1.0 to 1.5 nm, in good agreement with the determined value for the as-deposited Co25Ag75 films. This result suggests that the initial formation of the cobalt clusters (with respect to their atomic structure and size) is not affected by the low concentrations of aluminium in the sample. Furthermore it was found that the growth of big silver particle on the surface of CoAg films is suppressed by the aluminium dopped CoAg (CoAgAl) films. The influence of the temperature on the GMR properties of the CoAgAl films was also investigated. The granular films were annealed by different temperatures (up to maximum 823 K). As important result of these Investigations could be found out that the GMR-Effect is unaffected by the annealing of the compared to the binary probe. This is a further positive property for a sensor application. As positive for a potential application, a reduction of magnetoresistance-saturation field in the annealed probe could be established. Investigations of the microstructure of annealed Co-Ag-Al films showed enlargement of the magnetic cobalt grains. In addition crystallites of bcc Ag3Al were detected in the sample annealed by 823 K. The mesoscopic structure of the as-deposited films was investigated by the dark-field imaging showing column like growth-domains for silver. The columns are preserved during thermal-treathment up to 773 K, whereas annealing at 823 K yields destruction of these domains.English
Uncontrolled Keywords: GMR-Effekt, Grenzflächen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
GMR-Effekt, GrenzflächenGerman
GMR-Effect, thin film, grains, granular media, microstructure, roughness, reflectometry, interface, sensor applicationsEnglish
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:47
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000140
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-1404
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Fuess, Prof. Dr. Hartmut and Hahn, Prof. Dr. Horst
Advisors: Fuess, Prof. Dr. Hartmut
Refereed: 26 October 2000
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/140
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