The morphology, structure, and magnetic properties of metallic nanowires synthesized by electrodeposition
Loading...
DOI
Date
2024
Authors
Nykiel, Anna
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Thesis supervisors
Reviewers
Publisher
The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences
License Type
Creative commons license
Abstract
Przedmiotem badań niniejszej pracy są nanodruty, czyli jednowymiarowe nanostruktury o długości kilku mikrometrów i średnicach rzędu nanometrów. Szczególnie interesujące magnetyczne nanodruty o silnej efektywnej anizotropii magnetycznej są obiecującymi materiałami do zastosowań jako nośniki pamięci magnetycznych 3D ze względu na obserwowaną w nich zdolność do płynnego rozprzestrzeniania się ściany domenowej z bardzo dużą prędkością wzdłuż nanodrutów (3D racetrack memory). Nanodruty o pożądanej geometrii, składzie i strukturze otrzymywane były w procesie elektrodepozycji wspomaganej szablonem. Prezentowana praca jest pracą interdyscyplinarną, a jej głównym celem była modyfikacja właściwości magnetycznych wzdłuż nanodrutów w celu uzyskania segmentowanych nanodrutów, których poszczególne segmenty wykazują zmiany składu chemicznego i związane z tym różne właściwości magnetyczne. W pracy przedstawiono wyniki badań morfologii, składu chemicznego, struktury i właściwości magnetycznych nanodrutów na bazie żelaza, kobaltu i niklu, a także ich stopów. Jednoelementowe nanodruty Fe, Co i Ni przygotowane w membranach poliwęglanowych charakteryzowały się różnymi typami struktury oraz parametrami magnetycznymi, takimi jak koercja i kwadratowość. Stopy binarne FeCo i FeNi były badane pod kątem wpływu zmiany potencjału katodowego na ich skład chemiczny, a co za tym idzie, właściwości. Nanodruty FeCo charakteryzowały się słabą wrażliwością składu chemicznego na przyłożony potencjał w przeciwieństwie do nanodrutów FeNi, które wykazywały wzrost zawartości Ni wraz ze wzrostem napięcia i związany z tym wzrost koercji i prostopadłości. Główna część pracy dotyczyła nanodrutów FeCoNi o różnych średnicach i długościach, których skład chemiczny był także modyfikowany poprzez zmiany przyłożonego potencjału. Zaobserwowano, że wzrost potencjału katodowego powodował wzrost zawartości niklu z jednoczesnym ubożeniem układów w żelazo i kobalt. Obserwacje morfologii potwierdziły ciągłość nanodrutów i gładkość ich powierzchni oraz stałe średnice mierzone wzdłuż osi, natomiast pomiary dyfrakcji rentgenowskiej ujawniły polikrystaliczną strukturę fcc FeCoNi z preferowanym kierunkiem wzrostu zmieniającym się ze wzrostem napięcia z [111] do [220]. Wszystkie nanodruty wykazywały anizotropię magnetyczną z łatwą osią wzdłuż osi nanodrutu. W zależności od geometrii nanodrutu, obserwowano różną zależność namagnesowania nasycenia, koercji i kwadratowości od przyłożonego potencjału, wyjaśnioną na podstawie oddziaływań magnetostatycznych. Pomiary pola koercji w funkcji kąta zmieniającego się od osi łatwej do kierunku trudnego, pokazały wzrost koercji do kąta o wartości 70 stopni, a następnie spadek dla kąta 90 stopni. Zależność tę zinterpretowano jako zmianę trybu przemagnesowania, który dla kątów bliskich łatwemu kierunkowi był typowy dla przemieszczania się wirowej ściany domenowej, a dla kątów bliskich kierunku trudnego przechodził w tryb charakterystyczny dla ruchu poprzecznej ściany domenowej lub koherentnej rotacji. Ponadto pomiary magnetyczne wskazywały raczej na jednodomenową strukturę nanodrutów FeCoNi. Ostatnim etapem pracy były badania segmentowych nanodrutów FeCoNi, które zostały uzyskane poprzez zastosowanie określonej sekwencji napięć podczas elektrodepozycji. Granice segmentów w tych nanodrutach zidentyfikowano jako miejsca przypinania ścian domenowych, co sprawiło, że takie materiały są obiecującymi kandydatami do zastosowań w tworzeniu trójwymiarowych jednostek pamięci 3D racetrack memory.
The subject of these studies are nanowires, i.e. one-dimensional nanostructures with lengths of several micrometers and diameters of the order of nanometers. Especially interesting magnetic nanowires with strong effective magnetic anisotropy are promising materials for possible applications as 3D magnetic memory carriers due to the observed ability of the domain wall to spread smoothly at a very high speed along the nanowires (3D racetrack memory). Nanowires with the desired geometry, composition, and structure were obtained by template-assisted electrodeposition process. The presented thesis is interdisciplinary, and its main goal was to modify the magnetic properties along the nanowires in order to obtain segmented nanowires with individual segments exhibiting changes in chemical composition and associated changes in magnetic properties. The work presents the results of the studies of the morphology, chemical composition, structure, and magnetic properties of nanowires based on iron, cobalt, and nickel, as well as their alloys. Single-element Fe, Co, and Ni nanowires prepared in polycarbonate membranes were characterized by different types of structure and magnetic parameters, such as coercivity and squareness. Binary FeCo and FeNi alloys were studied in terms of the effect of changing the cathodic potential on their chemical composition and, consequently, their properties. FeCo nanowires were characterized by poor sensitivity of chemical composition to the applied potential, in contrast to FeNi nanowires, which showed an increase in Ni content with increasing voltage and an associated increase in coercivity and squareness. The main part of the thesis concerned FeCoNi nanowires with different diameters and lengths, whose chemical composition was also modified by changing the applied potential. It was observed that the increase in the cathodic potential caused an increase in nickel content with simultaneous depletion of the systems in iron and cobalt. Morphology observations confirmed the continuity of the nanowires and their smooth surfaces, and constant diameters measured along the axes, while X-ray diffraction measurements revealed a polycrystalline fcc FeCoNi structure with a preferred growth direction changing from [111] to [220] with increasing voltage. All nanowires showed magnetic anisotropy with an easy axis along the nanowire axis. Depending on the nanowire geometry, we observed a different dependence of the saturation magnetization, coercivity, and squareness on the applied potential, which was explained based on magnetostatic interactions. Measurements of the coercive field as a function of the angle changing from the easy axis to the hard direction showed an increase in coercivity up to an angle of 70 degrees, followed by a decrease for an angle of 90 degrees. This dependence was interpreted as a change in the magnetization reversal mechanism, which for angles close to the easy direction was typical for the movement of the vortex domain wall and changed into the mode characteristic for the transverse domain wall motion or coherent rotation for angles close to the hard direction. Moreover, magnetic measurements rather indicated a single-domain structure of FeCoNi nanowires. The last stage of the work was the study of segmented FeCoNi nanowires, which were obtained by applying a specific sequence of voltages during electrodeposition. The boundaries of segments in these nanowires were identified as the domain wall pinning sites, which made such materials promising candidates for applications in the creation of three-dimensional racetrack memory units.
Description
Keywords
Citation
Sponsorship:
Grantnumber:
License Type
Attribution 4.0 International