Mikrostrukturdefekte in elektrochemisch abgeschiedenen nanoskaligen Multilagenschichten und ihr Einfluss auf magnetische Eigenschaften
Final Report Abstract
Elektrochemisch abgeschiedene Multilagenschichten zeigen zwar einen Magnetowiderstandeffekt, dieser ist jedoch relativ schwach im Vergleich mit dem Magnetowiderstandeffekt, der in mittels PVD hergestellten Multilagenschichten beobachtet wird. Als Ursachen dafür werden eine hohe und nicht korrelierte Grenzflächenrauhigkeit, die Durchmischung von abgeschiedenen Spezies (insbesondere bei der Einzelbadmethode) und Bildung von Pinholes entweder in magnetischen oder in nichtmagnetischen Schichten angenommen. Um diese Einflüsse voneinander unterscheiden zu können, wurden mit Hilfe der Einzelbadmethode periodische Co/Cu-, Ni/Cu- und Co/Ru-Multilagenschichten hergestellt und einer komplexen Mikrostrukturuntersuchung unterzogen. Bei den Co/Cu-Multilagenschichten handelt es sich um nicht mischbares System, in dem beide Komponenten (Co und Cu) in unterschiedlichen Kristallstrukturen (hcp und fcc) kristallisieren. Nickel und Kupfer kristallisieren in gleicher Kristallstruktur (fcc) und sind laut Phasendiagramm teilweise mischbar – ihre Entmischung wird durch die Magnetisierung von Ni kontrolliert. Kobalt und Ruthenium kristallisieren beide in der hcp-Kristallstruktur und sind unterhalb von 422°C vollständig mischbar. Die Ergebnisse des Projektes haben gezeigt, dass es möglich ist, periodische Co/Cuund Ni/Cu-Multilagenschichten mit messbarem Magnetowiderstand elektrochemisch, mittels einer Einzelbadmethode abzuscheiden. Die Versuche, mit Hilfe der gleichen Methode periodische Co/Ru-Multilagenschichten herzustellen, waren dagegen nicht erfolgreich. Der Grund dafür war die Kobaltabscheidung bei Potentialen an denen keinerlei Abscheidung zu erwarten ist und eine starke Wasserstoffbildung. Diese beiden Prozesse verhinderten die Bildung von kontinuierlichen Einzelschichten. Eine wichtige Aufgabe des Projektes war die Klärung des Einflusses der gleichzeitig abgeschiedenen magnetischen und nichtmagnetischen Spezies bei der elektrochemischen Abscheidung der unedleren (magnetischen) Atome auf die Mikrostruktur und den Magnetowiderstand der Multilagenschichten. Es wurde gezeigt, dass in Co/Cu-Multilagenschichten die mit Co simultan abgeschiedenen Cu-Atome primär nicht in die Kristallstruktur von Kobalt eingebaut werden, sondern dass sie sich in lokalen Eigenspannungsfeldern clustern und durchgehende Strukturen (Pinholes) bilden, die als Kurzschlüsse in magnetischen Schichten wirken. Prinzipiell steigt der Effekt der simultanen Abscheidung von Cu mit Co mit sinkender Stromdichte, die zur Abscheidung von Co genutzt wird. Die lokalen Eigenspannungsfelder entstehen durch die Gitterfehlpassung der Nachbarschichten und werden teilweise durch Bildung von Mikrostrukturdefekten, insbesondere durch Bildung von Stapelfehlern, abgebaut. Der nicht abgebaute Teil der Eigenspannung an den Co/Cu-Grenzflächen begünstigt die Oberflächendiffusion der Co- und Cu-Atome, die sowohl zu ihrer lateralen Segregation als auch zum Anstieg der Grenzflächenwelligkeit in Co/Cu-Multilagenschichten wesentlich beiträgt. Alle beschriebenen Phänomene – die Grenzflächenwelligkeit, die Dichte der Pinholes und die Stapelfehlerdichte – senken den Magnetowiderstand von Co/Cu-Multilagenschichten und modifizieren teilweise das Verhältnis zwischen der ferromagnetischen und der superparamagnetischen Komponente des gesamten Magnetowiderstandes. Die mittels Einzelbadmethode abgeschiedenen Ni/Cu-Multilagenschichten bildeten ebenfalls periodische Strukturen. Die Segregation von Ni und Cu wurde durch die magnetische Anordnung der Ni-Atome angetrieben. Trotz des vergleichbaren Betrages der Gitterdeformation an inneren Grenzflächen war die Grenzflächenwelligkeit in Ni/Cu-Multilagenschichten deutlich kleiner als in Co/Cu-Multilagenschichten. Der Grund dafür sind offensichtlich unterschiedliche Mechanismen des Spannungsabbaus in den beiden Systemen, insbesondere im Bereich der vergleichbaren Dicken der magnetischen und der nichtmagnetischen Schichten. Wird eine kritische Schichtdicke (ca. 1,2 nm) unterschritten, steigt die Rauheit der Schichten deutlich an. Die inneren Spannungen sind in diesen Systemen geringer als in den Systemen mit höherer Schichtdicke. Grund dafür ist der diskontinuierliche Aufbau der Schichten, der zum Abbau der Eigenspannungen führt. Im Laufe des Projektes wurden Mikrostrukturmerkmale identifiziert, die den Magnetowiderstand der elektrochemisch abgeschiedenen Schichten beeinflussen. Dazu war es notwendig, etablierte mikrostrukturanalytische Methoden weiterzuentwickeln. Dies betraf besonders experimentelle Methoden zur Untersuchung von mehrphasigen nanoskaligen Kompositen und von Substanzen, die sich nicht im thermodynamischen Gleichgewicht befinden. Weiterhin wurden elektrochemisch abgeschiedene Multilagenschichten als ideale Systeme bestätigt, die die mikrostrukturelle Untersuchung von elementaren, durch den lokalen Gittermisfit getriebenen Deformationsprozessen sowie die Bildung von Mikrostrukturdefekten in Nanokompositen ermöglichen.
Publications
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Formation of microstructure defects in electrodeposited Co/Cu multilayers. Acta Materialia 57 (2009) 3211-3222
D. Rafaja, C. Schimpf, V. Klemm, G. Schreiber, I. Bakonyi and L. Péter
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Formation of microstructure defects in electrodeposited Co/Cu multilayers. Euromat 2009, Glasgow
David Rafaja, C. Schimpf, V. Klemm, G. Schreiber, I. Bakonyi, L. Péter
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Influence of the deposition current on the microstructure and the GMR properties of electrodeposited Co/Cu multilayers. MSE 2010, Darmstadt
Torsten Schucknecht, C. Schimpf, D. Rafaja, V. Klemm, L. Péter, I. Bakonyi
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Microstructure formation in electrodeposited Co-Cu/Cu multilayers with GMR effect: Influence of current density during the magnetic layer deposition. Acta Materialia 59 (2011) 2992-3001
D. Rafaja, C. Schimpf, T. Schucknecht, V. Klemm, L. Péter and I. Bakonyi
