Grafen ve grafit spin filitresi

Abstract

Fe/MgO/Fe ve CoFe/MgO/CoFe epitaksiyel manyetik tünel eklemlerde 2004 yılında ilk defa gösterilen spin filitrelemesi birçok bilim adamını benzer olayı gösteren farklı sistemleri araştırmaya yöneltti. Bu eklemler hem bilimsel hem de teknolojik uygulamaları açısından çok önemlidir. Çünkü bu sistemlerde oda sıcaklığında çok yüksek manyetorezistans (>600%) elde etmek mümkündür ve bu rakam teorik hesaplamalara oldukça yakındır. Konuyla ilgili bilim çevrelerinde MgO tabanlı bu eklemlerin mevcut ve gelecek nesil yeni manyetik sensör, spin tork hafıza ve mikrodalga osilatör sitemlerinin tabanını oluşturacağı kanaati hakimdir. Gittikçe küçülen nano tünel eklemlerde rezistans × alan (RA) yüksek frekans uygulamaları için sınırlayıcı faktördür, çünkü empedans eşitliğini sağlamak 100 nm den küçük tünel eklemlerde kolay değildir. Yüksek dielektirik özelliğinden dolayı MgO tünel bariyerlerini RA değerleri 1 ohm/ mikron karenin altında olacak şekilde büyütmek çok zordur. Alternatif spin filtreleme ve yüksek manyetorezistans sistemleri olarak, epitaksiyel [Ni (111) ve/veya Co(0001)]/grafen/[Ni (111) ve/veya Co(0001)] eklemleri teorik olarak 2007 yılında öngörülmüştür. Tamamen metalik olan bu sistemler sayesinde RA değeri çok daha iyi kontrol edilebilen nano aygıtları yapmak mümkündür. Ancak şimdiye kadar böyle bir sistem henüz deneysel olarak gösterilememiştir. Grafen ve Grafit Spin Filitresi adlı bu proje hem bilimsel hem de teknik açıdan önemli bir boşluğu doldurabilecek bir projedir. Böyle bir çok tabakalı sistemi yapmak ancak fiziksel buhar depozisyonu ile Ni ve/veya Co tabakalarını ve kimyasal buhar depozisyon ile de grafeni kontrollü kalınlıkta büyütebilmeğe bağlıdır. Böyle bir çoklu tabakanın başarıyla büyütülmesi ile manyetorezistans direk olarak düzleme paralel akım (current-in-plane) konfigürasyonunda ölçülebilir, fakat spin filitrelemesi sadece düzleme dik akım (current-perpendicular to plane) konfigürasyonunda mümkündür. Projenin ilk bu aşamasında mikro ve nano litografi ile bu cihazları yapıp manyetoelektronik olarak karakterize etmek gerekmektedir. Sıcaklığa bağlı manyetorezistans ve diferansiyel rezistans ölçümleri bu sistemde elektronların spine bağlı saçılma özelliklerini anlamamıza yardımcı olacaktır. Proje tarafımdan koordine edilecek olup iki doktora öğrencisi ile birlikte gerçekleştirilecektir. Ferromanyetik ince film büyütme, X-ray yansıma ve difraksiyon ölçümleri, manyetizasyon ölçümleri Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik bölümünün merkez laboratuarında yapılacaktır. Daha önce Harvard da yaptığım boru fırın tabanlı grafen büyütme sistemi tarafımdan özel olarak dizayn edilecek ve buna ek olarak hacim ve basınç kontrollü gaz karışım sistemi entegre edilerek grafen kalınlığı kontrol edilecektir. Manyetoelektronik ölçümler bilgisayar kontrollü bir bipolar elektromıknatıs ve diferansiyel rezistans düzeneği ile yapılacaktır. Litografi GYTE nin yeni temiz odasında direct-write lazer litografi sistemi ile yapılacaktır. Projenin ilk yılında gerekli olan alımlar yapılıp sistemler kurulacak ve çoklu tabakaların üretimine başlanacaktır. İkinci yılda litografi ile mikro ve nano boyutta aygıt yapımı ve parametreleri optimize edilecek ve üçüncü yılda da bu aygıtlar yapılıp manyeto elektronik ölçümleri yapılacak ve spin tork anahtarlama (switching) özellikleri araştırılacaktır.