Surface Roughness in Metallic Thin Films and its Effects on the Magnetic Properties of Permalloy Thin Films

Abstract

Ferromagnetisk permalloy (Py) tynnfilmer ser omfattende bruk i en rekke applikasjoner, som for eksempel i magnetisk datalagring og kunstig spinn-is systemer. Etter hvert som dimensjonene på enhetene blir mindre, blir også påvirkningen fra overflateruhet på de magnetiske egenskapene til Py tynnfilmer mer fremtredende. For kunstig spinn-is har introduksjonen av magnetiske felt indusert av metallstriper introdusert nye muligheter. Men det dukker opp utfordringer siden nanomagnetene i den kunstige spinn-isen da skal deponeres på en ru metallisk overflate. Derfor var hovedmålet med dette arbeidet å gjøre en grundig undersøkelse av overflateegenskapene til de metalliske tynnfilmene som er kandidater til magnetisk felt-induserende metallstriper, og bruke det til å forklare endringer i den magnetiske oppførselen til Py tynnfilmer deponert på ulike substrater.

Metalliske tynnfilmer bestående av Ti/Au og Ti/Cu/Al ble forberedt ved å bruke en elektronstråle evaporator. Substrater med varierende rms fra 0.1 nm til 2.3 nm ble fabrikert ved å variere tykkelsen til Cu. Overflatene ble karakterisert ved å bruke et atomkraftmikroskop og de karakteristiske egenskapene ble analysert. Sirkulære tynnfilmer av Py med en tykkelse på 20 nm og et Al beskyttelseslag på 2.5 nm ble så deponert oppå lagene med Ti/Cu/Al ved å ta i bruk fabrikkeringsprosessen fotolitografi. Bilder tatt med sveipelektronmikroskop viste at tynnfilmer med Au var utsatt for partikkelavsetting og er derfor et dårlig valg for felt-induserende metallstriper.

Et vibrerende prøvemagnometer ble brukt til å samle inn hysteresekurver fra magnetiske Py-disker. Det koersive feltet til 20 nm Py tynnfilmer ble sterkt påvirket av overflatestrukturen til substratet. Analyser av hystereseformen konkluderte at festing av domenevegger var den mest fremtredende mekanismen bak det koersive feltet. Festing av domenevegger var mer fremtredende for økende overflateruhet på substratene. Men et avvik fra denne trenden viser at en høyere overflødig utflating, som betyr mindre piggete korn, gir en lavere energibarriære for festing av domenevegger og dermed også et lavere koersivt felt. Satureringsmagnetiseringen minsket når rms økte, mest sannsynlig på grunn av økt oksidasjon av Py.

Ferromagnetic permalloy (Py) thin films are extensively used in various applications, such as magnetic data storage and artificial spin ice systems. As the dimensions of the devices get smaller, the influence of surface roughness on the magnetic properties of the Py thin films gets more prominent. For artificial spin ices, local magnetic field devices have introduced new possibilities. However, challenges emerge since the nanomagnets in the artificial spin-ice are deposited onto a rough metallic substrate. Therefore, the primary purpose of this thesis was to thoroughly investigate the surface properties of the metallic thin film candidates for local field devices and use this to explain how the magnetic behavior of Py thin films is altered for different substrates.

Metallic thin films of Ti/Au and Ti/Cu/Al multilayers were prepared using electron beam evaporation. Substrates with rms roughness ranging from 0.1 nm to 2.3 nm were fabricated by varying the thickness of the Cu layer. The surfaces were characterized using an atomic force microscope, and the most crucial surface characteristics were analyzed. Circular Py thin films with a thickness of 20 nm and an Al protection layer of 2.5 nm were deposited on top of the Ti/Cu/Al layers with a fabrication process using photolithography. Scanning electron microscope images revealed that evaporation of Au was prone to spitting, making it a poor choice for local magnetic field devices.

A vibrating-sample magnetometer was used to obtain magnetization hysteresis curves from the Py discs. The coercive field of 20 nm Py films was strongly influenced by the surface structure of the substrate. Analysis of the hysteresis shapes concluded that domain wall pinning is the most prominent mechanism behind the coercive field. The domain wall pinning was more prominent when the substrate rms roughness increased. However, a deviation from this trend suggested that a more negative excess kurtosis, meaning less spiky grains, lowers the pinning energy barriers and thus also the coercive field. The saturation magnetization was found to decrease for increasing rms roughness and substrate surface area, most likely because of increased oxidation of Py.