Investigating the Magnetic Characteristics of Oxidized Ni80Fe20 Structures and the Integrity of Al Capping Layers Used as an Oxidation Barrier

Abstract

Kunstige spinnis er metamaterialer bestående av nanoskala ferromagneter satt sammen i ulike geometrier for å produsere eksotiske magnetiske egenskaper og representerer potensielle kandidater for bruk i lavenergi ukonvensjonell databehandling. Utviklingen av denne teknologien avhenger i stor grad av å sikre en langsiktig stabilitet i de magnetiske egenskapene til nanomagnetene som utgjør spinnis systemene for å sikre ikke-flyktig informasjonslagring. I fabrikkasjon av kunstige spinnis systemer brukes som regel den magnetiske nikkel-jern legeringen Ni80Fe20 (Permalloy) sammen med et beskyttende aluminiumlag. Ettersom det er vel etablert at Permalloy danner oksidforbindelser som tilhører forskjellige magnetiske klasser er det nødvendig å redegjøre for effekten av disse på systemets totale magnetiske egenskaper for å vurdere fremtidsutsiktene til den nye teknologien.

I denne masteravhandlingen har aluminiums egenskaper til å beskytte magnetiske strukturer fra oksidasjon blitt utforsket ved å eksponere Permalloy-prøver beskyttet med aluminium til sterkt oksiderende miljøer. I tillegg har endringer i magnetisk oppførsel, som følge av oksidasjon, og den kjemiske sammensetningen av oksidlaget som dannes på ubeskyttet Permalloy blitt undersøkt. Ulike prøve- behandlinger ble tatt i bruk for å fremskynde oksidasjonsprosessen etterfulgt av magnetisk karakterisering gjennom vibrerende prøvemagnetometri og kjemisk analyse ved hjelp av røntgenfotoelektronspektroskopi.

De beskyttende egenskapene til aluminium ble bekreftet fra de eksperimentelle resultatene, indikert av vedvarende magnetisk moment for prøvene utsatt for ulike eksperimentelle behandlinger. I stor kontrast ble det funnet et betydelig tap av saturert magnetisk moment for de ubeskyttede prøvene, tilsvarende 8% sammenliknet med de beskyttede prøvene. Kjemisk analyse av oksidlaget dannet på de ubeskyttede prøvene indikerte at antiferromagnetisk NiO sammen med ferrimagnetisk NiFe2O4 og Fe3O4 dominerte sammensetningen til oksidet, i overenstemmelse med det observerte tapet av magnetisering. Selv om en betydelig endring i magnetisk oppførsel ble funnet for de ubeskyttede Permalloy-prøvene kan det med rimelighet antas at effekten av oksidasjon på kunstige spinnis systemer vil være av mindre betydning.

Artificial spin ices (ASI) are metamaterials comprised of nanosized ferromagnets arranged at various geometries, leading to exotic magnetic behavior, and represent potential candidates for use in low-energy unconventional computing. An integral part of developing this novel technology is ensuring the long-term stability of the magnetic structures to guarantee non-volatile information storage. Typically the nanomagnets comprising the ASIs are made of the nickel-iron alloy Ni80Fe20 (Permalloy) with an additional Al capping layer. Knowing that Permalloy forms oxides belonging to various magnetic classes, the effects of oxidation on the magnetic characteristics of the material must be accounted for to assess the feasibility of the novel technology.

In this thesis, the integrity of aluminum capping acting as an oxidation barrier has been thoroughly tested by exposing capped Permalloy samples to severe oxidizing environments. Additionally, changes in magnetic behavior due to oxidation and the chemical composition of the oxide forming on unprotected Permalloy have been investigated. Various sample treatments were utilized to force the oxidation process prior to magnetic characterization using vibrating sample magnetometry (VSM) and chemical analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).

The protective capabilities of the Al capping layer were confirmed through the experimental work, indicated by the persistent magnetic moment of the samples having received the various treatments. On the other hand, the uncapped samples exhibited a significant loss of saturated magnetic moment equal to ∼ 8% compared to the capped samples. Quantitative XPS analysis indicated that the predominant species forming on the unprotected Permalloy were antiferromagnetic NiO and ferrimagnetic NiFe2O4 and Fe3O4, in good agreement with the observed magnetic decay. Although a significant change in magnetic behavior was found for unprotected Permalloy, the implications on ASI structures are assumed to be of a minor character.