Phenomenon of magnetoresistance and magneic properties in thin film multilayers of magnetic materials

The subject of this thesis focus on the experimental study of magnetotransport (magnetoresistance, ordinary and anomalous Hall effect) and magnetic properties, and their relation with surface topography, in nanogranular thin films of the composite system Co(c)Bi(1-c), consisting of magnetic Co and Bi semimetal in the concentration-c range of 0 ≤ ≤ 0.8. Sample characterization with X-ray diffraction and electron microscopy show: (i) a systematic variation in nanogranular morphologyand film texture as a function of Co concentration-c, and (ii) that Co and Bi remain immiscible, forming separate nanograins of Bi and Co in the film. The galvanomagnetic effects observed as a function Co concentration-c show that there are two concentration regions with different mechanisms of electric conductivity, one region where the percolation effect is dominant for 0 ≤ ≤ 0.3, and another region, for > 0.33, where the magnetotransport properties can be analyzed as the convolution, but not as a superposition, of contributions from Bi semimetal and Co metal. The variation of Co concentration-c drives the composite system Co(c)Bi(1-c) into progressive transition from type-p (dominance of hole-carriers) to type-n (επικράτηση ηλεκτρονίων) magnetoconductivity, where the Hall resistivity, ρH, as a function of the applied magnetic field exhibit changes of the high-field slope (Β≥3Τ) from positive to negative. The observed Hall coefficient, RH=ρΗ/Β, with Coconcentration-c follows the scaling relationship: ~| − |, for 0 ≤ ≤ 0.3 and temperatures: 5 ≤ ≤ 250, that reveals a percolation threshold of ≈ 0.3. In nanogranular Bi(15nm) και Bi(50nm) films, the temperature dependence of the non-diagonal term, (, = 0), of resistivity tensor exhibits 2 different slopes of the thermal coefficient of resistance: =, where both TCRs appear with a negative slope above and below Τ≈250Κ. The temperature dependence of (, =0) between 5 ≤ ≤ 300 follows an exponential power law: ~−(), that can be attributed to a phase coherence length: ~− of charge carriers in Bi. Inaddition, these 2 different slopes of TCR in (, = 0) persist in all Co concentrations-c of the composite Co(c)Bi(1-c) material above and below Τ≈250Κ, providing evidence that the same thermal energy = (250) ≈ 15 might be responsible for the drastic change of TCR in (, = 0) curves. However, the observed temperature dependence of (, = 0) in Co(c)Bi(1-c) films cannot be analyzed as a superposition of two separate components of resistivity from Co and Bi: (, = 0) ≠ () + (). Isothermal Hall resistivity ρΗ(Β) measurements in pure Bi (c=0) films reveal 2 different positive slopes, +, below and above Β≈3Τ, that can be assigned to 2 different Hall coefficients, RH. One for Β3Τ due to contributions from the bulk of Bi, , where the corresponding slopes are: ( )> ( ). From 5Κ up to 250 Κ, the relative contribution of decreases progressively and becomes negligible for Τ>250Κ. If we consider that the surface states in Bi contribute an energy level inside the energy gap ~27 nearby the symmetry-L point in Brillouin zone of Bi, then a thermal energy of:(250) ≈ 15 ≈ ⁄2, might be responsible for the thermal excitation of electrons from the surface levels in the gap to the conduction band of Bi . In this case, the Fermi-Dirac distribution of conduction electrons about the Fermi level can be approximated by a Maxwell distribution above 250Κ. Thus, the observed temperature dependence of (, = 0) will be overwhelmed by theconduction channel of charge carriers in bulk Bi above 250Κ, and makes negligible the contribution for T>250K. Isothermal Hall resistivity ρΗ(Β) measurements in all Co(c)Bi(1-c) films exhibit the same features with those observed in ρΗ(Β) curves of materials where thetopological Hall effect (ΤΗΕ) is dominant. Besides that it was found that in order to satisfy the scaling relationship: = + 2, between the anomalous Hall effect resistivity (ΑΗΕ), = , and ( = 0) both resistivities should be first normalized to the corresponding values of resistivity observed at the same temperature and field in nanogranular Bi(15nm) film. This is a direct evidence that both (, = 0) and () in Co(c)Bi(1-c) films are the result of a convolution between a function F(T,L) with the corresponding resistivities () και , () measured in nanogranular Bi film. Isothermal magnetoresistance curves MR(Β) measured from all Co(c)Bi(1-c) films exhibit a scaling relationship for the measured temperatures in a film (fixed concentration-c), only when the corresponding () curve of Bi(15nm) film has been removed from the MR(B) curves of Co(c)Bi(1-c). A quantitative analysis of such scaling effects indicates that every scaling coefficient, obtained for the same Co concentration-c, is related with the grain-size distribution of Co and Bi nanograins in every composite Co(c)Bi(1-c) material. The main result, which is of technological importance, is the observation of the giant Hall effect (GHE) in films of Co(c)Bi(1-c) in the metallic regime (up to c=0.8) that is well above the percolation threshold where the GHE was reported at first in films of composite materials with magnetic nanograins of transition metals in a matrix of insulating oxide. Thus, nanogranular composite Co(c)Bi(1-c) films can be engineered and designed to perform at desired values of GHE by controlling only the grain size distribution of Co and Bi nanograins in the film.Πραγματοποιήθηκε η πειραματική μελέτη της μαγνητοαντίστασης, του κανονικού φαινομένου Hall, του ανώμαλου φαινομένου Hall, των μαγνητικών ιδιοτήτων και της τοπογραφίας των επιφανειών στα νανοκοκκώδη φιλμ του σύνθετου (composite) υλικού Co(c)Bi(1-c), από μαγνητικό Co και ημιμεταλλικό Bi στην περιοχή συγκεντρώσεων: 0 ≤ ≤ 0.8. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων μεπερίθλαση ακτίνων-Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία αποκαλύπτουν: (α) μια συστηματική μεταβολή της νανοκοκκώδους υφής με την μεταβολή της συγκέντρωσης-c του Co και (β) ότι το Co και το Bi δεν αναμειγνύονται μεταξύ τους για σχηματισμό κραμάτων. Η μελέτη των γαλβανομαγνητικών φαινομένων σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης-c του Co έδειξε ότι υπάρχουν δύο περιοχέςδιαφορετικών μηχανισμών αγωγιμότητας όπου εμφανίζεται το φαινόμενο του percolation για 0 ≤ ≤ 0.3, ενώ για > 0.33 οι ιδιότητες μαγνητοαγωγιμότητας μπορούν να αναλυθούν ως τη συνέλιξη, και όχι την υπέρθεση, της συνεισφοράς του ημιμετάλλου-Bi και της μεταλλικής συνεισφοράς του Co. Η μεταβολή της συγκέντρωσης-c οδηγεί το σύνθετο σύστημα Co(c)Bi(1-c) σε σταδιακή μετάβασηαπό τύπου-p (επικράτηση οπών) σε τύπου-n (επικράτηση ηλεκτρονίων) αγωγιμότητα, όπου η μεταβολή της αντίστασης Hall, ρH, σαν συνάρτηση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου εμφανίζει μια μετάβαση από θετική σε αρνητική κλίση στα μεγάλα πεδία (Β≥3Τ). H μεταβολή του συντελεστή Hall, RH=ρΗ/Β, σαν συνάρτηση της συγκέντρωσης-c του Co ακολουθεί, για 0 ≤ ≤ 0.3 και μεταξύ των θερμοκρασιών5 ≤ ≤ 250, την αναμενόμενη κλιμάκωση: ~| − |, τουφαινομένου percolation, με τιμή κατωφλίου τη συγκέντρωση ≈ 0.3. Στα νανο-κοκκώδη φιλμ Bi(15nm) και Bi(50nm) η μεταβολή της ειδικής αντίστασης (, = 0) σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας-Τ, εμφανίζει 2 διαφορετικές κλίσεις του θερμικού συντελεστή αντίστασης: =, όπου και οι 2 συντελεστές TCR εμφανίζουν αρνητικό πρόσημο εκατέρωθεν της Τ≈250Κ. Ηθερμοκρασιακή εξάρτηση της (, = 0) στην περιοχή 5 ≤ ≤ 300 ακολουθεί εκθετική συμπεριφορά: ~−(), αποκαλύπτοντας ότι είναι η θερμοκρασιακή εξάρτηση του μήκους συνάφειας ~− των φορέων αγωγιμότητας του Bi που προκαλεί αυτή τη συμπεριφορά. Στο σύνθετο σύστημα Co(c)Bi(1-c) η (, = 0) οι 2 διαφορετικές κλίσεις του TCR εξακολουθούν να υπάρχουν εκατέρωθεν της Τ≈250Κ για όλες τις συγκεντρώσεις-c του Co. Αυτό δείχνει ότι η ίδιαθερμική ενέργεια: = (250) ≈ 15, προκαλεί τη δραστική ελάττωση της (, = 0) για Τ>250Κ. Όμως η συγκριτική ανάλυση της θερμοκρασιακής εξάρτησης της (, = 0) μεταξύ των φιλμ Co(c)Bi(1-c) αποκαλύπτει ότι αυτή δεν αποτελεί την υπέρθεση των συνεισφορών από τις επιμέρους αντιστάσεις του Bi και Co: (, = 0) ≠ () + (). Οι μετρήσεις της αντίστασης Hall στα φιλμ του Bi (c=0), αποκαλύπτουν 2 διαφορετικές θετικές κλίσεις, +, στις ισόθερμες καμπύλες ρΗ(Β) εκατέρωθεν του πεδίου Β≈3Τ, που αντιστοιχούν σε 2 διαφορετικούς συντελεστές Hall, RH. Ένας για Β3Τ που αποδίδεται στο εσωτερικό των κόκκων Bi, , όπου ( ) > ( ). Αυξάνοντας την θερμοκρασία από 5Κ προς τα 250 Κ, η σχετική συνεισφορά του όρου ελαττώνεται προοδευτικά και εξαφανίζεται για Τ>250Κ. Θεωρώντας ότι οι επιφανειακές καταστάσεις στους κόκκους Bi μπορεί να εμφανίζονται ως ενδιάμεσες ενεργειακές στάθμες στο ενεργειακό χάσμα ~27 που βρίσκεται στο σημείο συμμετρίας-L της ζώνηςBrillouin του Bi, τότε η θερμική ενέργεια: (250) ≈ 15 ≈ ⁄2, προκαλεί την θερμική διέγερση των ηλεκτρονίων από τις επιφανειακές καταστάσεις στην ζώνηαγωγιμότητας των ηλεκτρονίων. Έτσι η κατανομή Fermi-Dirac των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας στην ενέργεια Fermi φαίνεται ότι προσεγγίζει την κατανομή Maxwell για Τ>250Κ, οπότε η θερμική διέγερση από τις επιφανειακές καταστάσεις στην ζώνη αγωγιμότητας προκαλεί αύξηση του πληθυσμού των φορέων στο κανάλι αγωγιμότητας του Bi και ελάττωση της (, = 0), κάνοντας αμελητέα την συνεισφορά της . Οι ισόθερμες καμπύλες ρΗ(Β) που μετρήθηκαν σε όλα τα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) εμφανίζουν τα ίδια χαρακτηριστικά με τις καμπύλες πουπαρατηρούνται και σε υλικά που εμφανίζουν το τοπολογικό φαινόμενο Hall (ΤΗΕ). Βρέθηκε ότι για να ικανοποιείται η γνωστή σχέση κλιμάκωσης: = + 2, μεταξύ της αντίστασης του ανώμαλου φαινόμενου Hall (ΑΗΕ), = , και της ( = 0) πρέπει πρώτα και οι 2 αυτές αντιστάσεις να κανονικοποιηθούν σε κάθε θερμοκρασία στις αντίστοιχες τιμές των αντιστάσεων του νανο-κοκκώδους φιλμ Bi(15nm). Αυτό αποδεικνύει ότι σε κάθε φιλμ η (, = 0) και η () είναι αποτέλεσμα της συνέλιξης μιας συνάρτησης F(T,L) με την αντίστοιχη αντίσταση () και , () του Bi. Οι ισόθερμες καμπύλες μαγνητοαντίστασης MR(Β) που μετρήθηκαν σε όλα τα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) εμφανίζουν μια σχέση κλιμάκωσης μεταξύ τους σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας-Τ για καθένα φιλμ, όταν προηγουμένως έχει αφαιρεθεί η ισόθερμη καμπύλη () στην αντίστοιχη-Τ του νανο-κοκκώδους φιλμ Bi(15nm). Η ανάλυση αυτών των φαινομένων κλιμάκωσης έδειξε ότι ο κάθε συντελεστής κλιμάκωσης, που βρέθηκε για κάθε μια τιμή της συγκέντρωσης-c του Co, εξαρτάται από την στατιστική κατανομή του μεγέθους των κόκκων σε καθένα φιλμ. Το κύριο αποτέλεσμα, που έχει και τεχνολογική σημασία, είναι ότι παρατηρήθηκε το γιγαντιαίο φαινόμενο Hall (GHE) στα φιλμ του σύνθετου υλικού Co(c)Bi(1-c) ακόμη και για την συγκέντρωση-c=0.8, που βρίσκεται στην περιοχή της μεταλλικής αγωγιμότητας και μακριά από την περιοχή του percolation όπου είχε παρατηρηθεί ως τώρα το GHE σε άλλα νανο-κοκκώδη σύνθετα υλικά από μαγνητικό μέταλλο-μετάβασης σε μήτρα μονωτικού οξειδίου. Έτσι προκύπτει ότι μπορεί να σχεδιαστούν σύνθετα υλικά από Co(c)Bi(1-c) με την επιθυμητή τιμή του GHE μεταβάλλοντας μόνον την μικροδομή (την κατανομή του μεγέθους των νανο-κόκκων του Co και Bi) του φιλμ