Engineering synthetic antiferromagnets for P-MTJ technology: Structure and interface design

Abstract

Esnek ve şeffaf spintronik cihazların geliştirilmesi, giyilebilir elektronikler, akıllı sensörler ve yeni nesil çok işlevli sistemlerdeki potansiyel uygulamaları nedeniyle son yıllarda giderek artan bir ilgi görmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, esnek ve şeffaf polimer altlıklar üzerinde geliştirilen manyetodirençli ince film yapıların üretimi ve manyetik karakterizasyonu sistematik olarak incelenmiş; özellikle tampon tabaka mühendisliği, ara tabaka optimizasyonu ve dik manyetik anizotropinin kontrolü üzerine odaklanılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, farklı kalınlıklara sahip polietilen tereftalat (PET) altlıklar esnek platformlar olarak kullanılmıştır. Ultrasonik temizleme süresinin yüzey bütünlüğü ve ince film büyüme davranışı üzerindeki etkisi ayrıntılı biçimde incelenmiştir. DC magnetron sputtering yöntemiyle kaplanan platin ince filmlerin yüzey kimyası, morfolojisi, pürüzlülüğü ve yapısal özellikleri; X-ışını fotoelektron spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu ve X-ışını kırınımı teknikleri kullanılarak analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, altlık kalınlığı ve temizleme parametrelerinin yüzey pürüzlülüğünü ve film sürekliliğini doğrudan etkilediğini; optimize edilmiş temizleme koşullarının çok katmanlı yapıların büyütülmesi için uygun olan alt nanometre düzeyinde yüzey pürüzlülüğü sağladığını ortaya koymuştur. Altlık parametrelerinin belirlenmesinin ardından, Co/Pt tabanlı çok katmanlı manyetik yapılar üretilmiş ve manyetik karakterizasyonları düzlem içi ve düzlem dışı konfigürasyonlarda manyeto-optik Kerr etki spektroskopisi analizleri ile gerçekleştirilmiştir. PET tabanlı çok katmanlı yapılarda baskın olarak düzlem içi manyetik davranış gözlemlenmiş olup, bu durum polimer altlık üzerinde büyütülen filmlerde dik manyetik anizotropinin bastırıldığını göstermiştir. Bu bulgular doğrultusunda, anizotropi mekanizmalarının sistematik olarak incelenebilmesi amacıyla deneysel çalışmalar silisyum (Si) altlıklar üzerine genişletilmiştir. Si altlıklar üzerinde, dik manyetik anizotropi ve termal kararlılık üzerindeki etkilerin değerlendirilmesi amacıyla Ta/CuN ve Ta/Ru tampon tabaka konfigürasyonları kullanılarak Co/Pt çok katmanlı yapılar hazırlanmıştır. Titreşimli örnek manyetometresi analizleri, Ru tabanlı tampon tabakaların CuN tabanlı yapılara kıyasla daha keskin manyetik anahtarlama, daha yüksek koersivite ve belirgin şekilde artmış histerezis kareselliği sağladığını göstermiştir. 330 °C'de gerçekleştirilen tavlama işlemi sonrasında, Ru tamponlu yapılarda dik manyetik anizotropinin güçlendiği; CuN tamponlu yapılarda ise daha zayıf anizotropi ve daha geniş anahtarlama geçişleri gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, tampon tabaka seçiminin Co/Pt çok katmanlı sistemlerde arayüz kalitesi, kristal yapı yönelimi ve manyetik anizotropinin kontrolünde belirleyici bir rol oynadığını açıkça ortaya koymaktadır. Ayrıca bu tez çalışması, polimer altlıkların dik manyetik anizotropinin elde edilmesi açısından sınırlamalarını vurgulamakta ve esnek spintronik mimarilerde altlık kaynaklı büyüme etkilerinin önemine dikkat çekmektedir. Sonuç olarak bu tez, altlık özellikleri, tampon tabaka mühendisliği ve çok katmanlı manyetik davranış arasındaki etkileşimi kapsamlı biçimde ortaya koyarak, gelecekte geliştirilecek esnek ve yüksek performanslı manyetodirençli cihazların tasarımına yönelik önemli bir deneysel sonuç sunmaktadır.The development of flexible and transparent spintronic devices has attracted increasing attention due to their potential applications in wearable electronics, smart sensors, and next-generation multifunctional systems. In this thesis, the fabrication and magnetic characterization of magneto-resistive thin-film structures on flexible and transparent polymer substrates are systematically investigated, with a particular focus on buffer layer engineering, spacer layer optimization, and perpendicular magnetic anisotropy control. In the first stage of the study, polyethylene terephthalate (PET) substrates with different thicknesses were employed as flexible platforms. The influence of ultrasonic cleaning duration on surface integrity and thin-film growth behavior was comprehensively examined. Platinum thin films were deposited by DC magnetron sputtering, and the resulting surface chemistry, morphology, roughness, and structural properties were analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, and X-ray diffraction. The results revealed that substrate thickness and cleaning parameters critically affect surface roughness and film continuity, with optimized cleaning conditions yielding sub-nanometer surface roughness suitable for multilayer deposition. Following substrate optimization, Co/Pt-based multilayer magnetic structures were fabricated and magnetically characterized using magneto-optical Kerr effect measurements in both in-plane and out-of-plane configurations. The flexible PET-based multilayers exhibited predominantly in-plane magnetic behavior, indicating the suppression of perpendicular magnetic anisotropy under polymer-supported growth conditions. Based on these findings, the experimental focus was extended to rigid Si substrates to establish a reference platform for systematic anisotropy investigation. On Si substrates, Co/Pt multilayers were deposited on different buffer layer configurations, namely Ta/CuN and Ta/Ru, in order to evaluate their influence on perpendicular magnetic anisotropy and thermal stability. Vibrating sample magnetometry measurements demonstrated that Ru-based buffer layers promote sharper magnetic switching, higher coercivity, and significantly improved loop squareness compared to CuN-based buffers. Annealing treatment at 330 °C further enhanced perpendicular magnetic anisotropy for Ru-buffered structures, while CuN-buffered samples exhibited weaker anisotropy and broader switching behavior. The results clearly demonstrate that buffer layer selection plays a decisive role in controlling interfacial quality, crystallographic texture, and magnetic anisotropy in Co/Pt multilayer structures. Furthermore, the study highlights the limitations of polymer substrates for achieving perpendicular magnetic anisotropy and underscores the importance of substrate-induced growth effects in flexible spintronic structures. Overall, this study provides a comprehensive experimental framework for understanding the interplay between substrate properties, buffer layer engineering, and multilayer magnetic behavior, offering valuable guidelines for the future design of flexible and high-performance magneto-resistive devices.