Püskürtme yöntemiyle AISI 202 ve AISI 304 östenitik paslanmaz çelik kaynaklardan esnek alt tabakalar üzerinde büyütülen FeCrMn ve FeCrNi martensitik ince filmlerin yapısal ve manyetik karakterizasyonları

Abstract

Bu çalışmada; tek bir kaynak malzeme (AISI 304 ve AISI 202 östenitik paslanmaz çelik) aracılığıyla üretilen FeCrMn ve FeCrNi martensitik ince filmlerin farklı biriktirme hızlarının (0.04, 0.06, 0.08, 0.10 ve 0.12 nm/s) ve alt tabakanın dönme hızlarının (0, 15, 30 ve 45 rpm) yapısal ve manyetik özellikleri üzerine etkileri incelenmiştir. Filmler ticari esnek polimer asetat alt tabakalar üzerine bir DC magnetron püskürtme yöntemi kullanılarak üretildi. Filmlerin kalınlığı 50 nm’dir. Biriktirme hızları, alt tabaka ile kaynak arasında oluşturulan DC akım değiştirilerek belirlendi. Alt tabakanın farklı dönme hızları, alt tabakayı döndüren elektrik motoruna uygulanan gerilim değiştirilerek belirlendi. Enerji ayırımlı X-ışını spektrometrisi ile yapılan elementel analizlerde, filmlerin atomik içeriğinin biriktirme hızı ve alt tabakanın dönme hızından etkilendiğini göstermektedir. X-ışını kırınımı kullanılarak belirlenen kristal yapı, tüm filmlerin cisim merkezli tetragonal yapıya sahip olduğunu göstermiştir. Bu sebeple tüm filmlerin martensitik faza sahip olduğu düşünülmektedir. Tüm filmlerin, tane büyüklüğünün birikme hızının artmasıyla arttığı ve alt tabaka dönme hızının artmasıyla azaldığı bulunmuştur. Bir taramalı elektron mikroskobu (Scanning Electron Microscope, SEM) ile incelenen filmlerin yüzeylerinde, birikme hızının artması ile granül yapıların boyutlarının artmış olduğu, ancak alt tabaka dönme hızının artmasıyla azaldığı, böylece film yüzeylerin daha homojen olduğu belirlenmiştir. Bir atomik kuvvet mikroskobu ile yapılan diğer yüzey ölçümleri, tüm filmler için yüzeylerin analiz sonuçlarının SEM görüntüleri ile uyumlu olduğunu ortaya koymuştur. Bir titreşimli numune manyetometresi ile incelenen manyetik özelliklerde, tüm filmler için doyum manyetizasyonunun biriktirme hızı ve alt tabakanın dönme hızının artışıyla arttığı görülmüştür. FeCrMn filmlerinin koersivite değerleri artan biriktirme hızı ile arttığı, ancak artan alt tabaka dönme hızı ile azaldığı, dahası, FeCrNi filmlerin koersivite değerlerinin hem biriktirme hızı hem de alt tabakanın dönme hızının artışı ile arttığı bulunmuştur. Ayrıca, tüm filmlerin düzlem içi manyetik anizotropi göstermektedir. FeCrNi ve FeCrMn martensitik ince filmlerin özelliklerinin esnek alt tabakalar üzerindeki elektrik ve elektronik cihazlar için üretim parametrelerini değiştirmek suretiyle kolayca kontrol edilebildiği görülmektedir.

In this study, the effects of different deposition rates (0.04, 0.06, 0.08, 0.10 and 0.12 nm/s) and rotation speeds (0, 15, 30 and 45 rpm) of substrate on structural and magnetic properties of FeCrMn and FeCrNi martensitic thin films produced via a single source material (AISI 304 and AISI 202 austenitic stainless steels) were investigated. The films were deposited on commercially flexible polymer acetate substrates by using a DC magnetron sputtering method. The thickness of the films was 50 nm. The deposition rates were determined by changing the DC current generated between the substrate and the source. The different rotational speeds of the substrate were also determined by varying the voltage applied to the electric motor that rotates the substrate. Elemental analysis performed by energy dispersive X-ray spectrometry revealed that the atomic contents of the films were affected by deposition rate and substrate rotational speed. The crystal structure determined by using X-ray diffraction showed that all films have body-centred tetragonal structure. Therefore, it was considered that all films have martensitic phase. It was found that all films, the grain size increased with the increase of deposition rate and decreased with the increase of substrate rotation speed. In the surfaces of films examined with a scanning electron microscope (SEM), it is determined that increased of the sizes of the granular structures with the increased of the deposition rate, but decreased with the increase of substrate rotational speed, thus, the surfaces of films had occurred more homogeneous. Further surface measurements performed by an atomic force microscope disclosed that the analysis results of the surfaces for all films were compatible with SEM images. In the magnetic properties studied with a vibrating sample magnetometer showed that the saturation magnetization for the present films increased with the increase of the deposition rate and substrate rotational speed. It is found that the coercivity values the FeCrMn films increased with the increase of deposition rate but decreased with the increase of the substrate rotational speed, moreover, the coercivity values of the FeCrNi films increased with the increase of both of the deposition rate and substrate rotational speed. Also, it was found that all films showed that in-plane magnetic anisotropy. It is seen that the properties of the FeCrNi and FeCrMn martensitic thin films can be easily controlled by changing production parameters for using in the development of potential electric and electronic devices on flexible substrates.