Permalloy Ni80Fe20 at. % (Py) is a well-known ferromagnet utilized in anisotropic magnetoresistance and planar Hall effect sensors as well as magnetic read heads in magnetic memories. These applications rely on the uniaxial magnetic anisotropy in permalloy thin films. Various methods have been developed to achieve uniaxial anisotropy such as post-annealing, in-situ growth and ion beam irradiation in the presence of a magnetic field, deposition under an angle with respect to the substrate normal and mechanical deformation. Among these we found tilt deposition as the most general case since most of ferromagnetic films are grown in co-deposition vacuum systems under an angle.
In the first stage we compared the effect of tilt deposition with that of applying in-situ magnetic field, in definition of the easy magnetization axis direction, and showed that in a competition of both effects the former has a major effect (paper I). It has been also shown that tilt deposition gives very well-defined uniaxial anisotropy in a wide range of pressures (paper II). Since the sputter flux might scatter off at higher pressures, utilizing high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) is required to provide higher adatom energy and maintain high mass density and magnetic softness of the Py films. Then it is shown that very well-defined uniaxial anisotropy can be achieved in a series of Py films, with variable thicknesses. This is achieved in the absence of self-shadowing and off-normal texture which have been mentioned in the literature to explain the origin of uniaxial anisotropy (paper III). None of these, however, explained the origin of induced uniaxial anisotropy in Py films. Thus in the second stage we grew single crystal Py films on (001) MgO using tilt deposition and compared conventional dc magnetron sputtering (dcMS) and HiPIMS (paper IV). Based on X-ray diffraction (XRD) and resistivity measurements it has been demonstrated that single crystal films prepared by dcMS present an ordered microstructure towards L12 Ni3Fe superlattice while the very high deposition rate of HiPIMS (more 50 times of dcMS during the pulse) gives a disordered single crystal. Surprisingly, the single crystal prepared by HiPIMS showed uniaxial behavior along the ⟨001⟩ orientation. The more ordered single crystal grown by dcMS presented biaxial anisotropy along the ⟨011⟩ orientation which is in agreement with magnetocrystalline anisotropy along the ⟨111⟩ orientation and being forced into the film plane by the demagnetization field (shape anisotropy). It is worth mentioning that previously post annealing and in-situ magnetic field failed to induce uniaxial anisotropy along the ⟨001⟩ orientation. The latter controversy can be explained by the fact that normally very low deposition rates are utilized for the growth of single crystals. Thus they were unable to achieve enough disorder required for uniaxial anisotropy to appear. Later it is shown that although it is very hard to detect the atomic order using XRD in polycrystalline films, one can utilize resistivity measurements to study the microscopic origin of uniaxial anisotropy (paper IV). It has been shown that the resistivity of a film prepared by in-situ field is minimum along the hard axis and maximum along the easy axis. We explain this by atomic arrangement of Ni and Fe (or order) along the easy axis of the film.
In order to study interface or surface anisotropy, we prepared multilayers of Py using dcMS and HiPIMS. It was shown that a sharp interface can be achieved using the HiPIMS method. However, this is accompanied by large strain in the case of Py/Pt that increases coercivity and gives an open hard axis. Using Cu and CuPt present well defined uniaxial anisotropy.
Permalloy Ni80Fe20 samsetning (Py) er vel þekktur járnsegull, notaður í anisotropic
magnetoresistance og planar Hall effect skynjara ásamt því að vera nýttur í leshausa
harðra diska í tölvum og í segulminni. Þessar hagnýtingar reiða sig á einása seguláttun
í permalloy þunnhúðum. Ýmsar aðferðir hafa verið þróaðar til þess að ná einása
seguláttun í efninu, svo sem að setja á segulsvið við bökun eftir ræktun, á meðan á
ræktun stendur, eða við jónaágeislun. Einnig með ræktun undir hvössu horni og, að
síðustu, aflfræðileg bjögun. Á meðal þessara aðferða höfum við mest beitt ræktun undir
hvössu horni, en eitt ræktunartækið okkar er einmitt þannig hannað að ræktun fer öll
fram undir hvössu horni.
Í fyrsta hluta þessa verkefnis bárum við saman áhrif ræktunar undir hvössu horni og
beitingu segulsviðs á spönun einása seguláttunar og sýndum að í samkeppni þeirra á milli
þá hafði fyrri aðferðin betur (grein I). Við sýndum líka að ræktun undir hvössu horni
veldur mjög vel skilgreindri einása seguláttun jafnvel á breiðu sviði ræktunarþrýstings
(grein II). Þar sem spættar jónir gætu skondrað af undirlaginu við háan ræktunarþrýsting,
í stað þess að festast, þá nýtum við háaflspúlsaða segulspætun (HiPIMS) til þess að auka
orku þeirra og viðhalda þannig háum massaþéttleika og mjúkri segulhegðun Py húðanna.
Þá sýnum við hvernig mjög góðri einása seguláttun var náð í röð Py-sýna af mismunandi
þykkt. Það var án nokkurar sjálfskýlingar eða hallandi frumeindauppröðunar, hvort
tveggja skýringar sem notaðar hafa verið fyrir uppruna einása seguláttunar (grein III).
Hvorug þeirra getur hins vegar verið ástæða seguláttunar í okkar Py húðum. Í næsta
fasa verkefnisins ræktuðum við því einkristallaðar Py húðir á (001) MgO, undir hvössu
horni og bárum saman dc segulspætun (dcMS) og HiPIMS (grein IV). Á grundvelli
röntgenmælinga (XRD) og rafviðnámsmælinga getum við sagt að einkristallaðar húðir
ræktaðar með dcMS leiða til reglulegrar kristalbyggingar með L12 Ni3Fe ofurgrind
en mikill ræktunarhraði í HiPIMS (meira en 50-faldur dcMS ræktunarhraði á meðan
á púlsi stendur) gefur óreglulegri kristalbyggingu. Það kom á óvart að einkristallaðar
húðir ræktaðar með HiPIMS höfðu einása seguláttun í h001i stefnu. Hins vegar leiddi
reglulega kristalbyggingin sem kom með dcMS ræktun til tvíása seguláttunar í h011i
stefnur, sem rímar við að seguláttun í bolefninu er í h111i stefnur, en er þvinguð niður í
planið af afsegulmögnunarþættinum vegna lögunar þunnhúðarinnar. Vert er að nefna að
hvorki segulsvið í ræktun né bökun að lokinni ræktun dugðu til að spana einása seguláttun í h001i stefnu. Það kann að stafa meðal annars af því að við ræktun einkristalla er
notaður mjög lágur ræktunarhraði. Því verður ekki næg óregla í byggingunni til þess að
valda einása seguláttun. Við sýndum síðar að jafnvel þótt mjög erfitt sé að nema óreglu
í frumeindaröðun með XRD í fjölkristölluðum húðum þá má nota rafviðnámsmælingar
til þess að segja eitthvað til um uppruna einása seguláttunar (grein IV). Við sýndum að
eðlisviðnám húðar sem var ræktuð í segulsviði er í lágmarki í stefnu harða segulássins en í hámarki í stefnu auðvelda segulássins. Við færum rök fyrir þessu með röðun
frumeindanna Ni og Fe í stefnu auðvelda seguláss húðarinnar.
Til þess að rannsaka áhrif yfirborðs eða yfirborðsáttun útbjuggum við marglög, sem
innihalda Py, með dcMS og HiPIMS. Við sýndum að það er hægt að fá mjög skörp, vel
skilgreind, skil með HiPIMS aðferð. Þessu fylgir hins vegar töluverð bjögun efnisins í
tilfellinu Py/Pt sem eykur coercivity og eykur á segulheldni eftir erfiða segulásnum. Ef
notað er Cu eða CuPt í stað Pt fæst vel skilgreind einása seguláttun.
