STUDY OF COBALT DOPED TITANIUM NITRIDE AND CHROMIUM DOPED TITANIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY RF/DC MAGNETRON SPUTTERING

STUDY OF COBALT DOPED TITANIUM NITRIDE AND CHROMIUM DOPED TITANIUM NITRIDE THIN FILMS GROWN BY RF/DC MAGNETRON SPUTTERING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
MS-Thesis-Ebrahim-Abualgassem.pdf - Accepted Version
Restricted to Repository staff only until 21 December 2022.

Download (3MB)

Arabic Abstract

تعنى هذه الأطروحة بدراسة وتحضير أغشية رقيقة من أشباه موصلات النيتريد المشوبة بالمعادن الانتقالية. الهدف الرئيس من الدراسة هو إيجاد الظروف المثالية للنمو الأمثل لتكوين أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة ، حيث يمكن أن يكون الفيلم شبه موصل وله خواص مغناطيسية في نفس الوقت. أشباه الموصلات المغناطيسية المخففة لديها تطبيقات محتملة في فرع جديد من الأجهزة تسمى حيث يتم استخدام شحنة وعزم الإلكترون وتمتاز هذة الأجهزه بأنها سريعة وأقل استهلاكًا للطاقة. تمت دراسة مجموعتين من المواد في هذا البحث ، نيتريد التيتانيوم المشوب بالكوبالت ونتريد التيتانيوم المشوب بالكروم. تم تحضير أغشية رقيقة من نيتريد التيتانيوم المشوب بالكوبالت عن طريق قذف هدف التيتانيوم باستخدام مدفع رش يعمل بالترددات الراديوية بينما الكوبالت تم قذفه بمدفع يعمل بالتيار المستمر في وجود غاز الأرجون والنيتروجين. تم إنتاج أغشية نيتريد التيتانيوم المخدر بالكروم بنفس الطريقة فيما عدا استخدام الكروم المستهدف ، بدلاً من الكوبالت المستهدف. تم التحكم في نسبة الشوائب في الفيلم عن طريق ضبط قوة التيار المستمر لمدفع الرش. تمت دراسة الخواص السطحية والكتلة للأغشية المزروعة باستخدام حيود الأشعة السينية ، والفحص المجهري للقوة الذرية ، والقياس الطيفي ، والتحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية ، وقياس انعكاس الأشعة السينية، والقياس المغناطيسي للعينة الاهتزازية. وقد وجد أن الأفلام تتأكسد بسهولة بعد النمو عند تعرضها للجو. ومن ثم فإن الأغشية المزروعة كانت عبارة عن أكسيد تيتانيوم مخدر بالكوبالت وأكسينيتريد تيتانيوم مخدر بالكروم. أثر تركيز الكوبالت أو الكروم في أغشية نيتريد التيتانيوم على الخصائص البصرية والكيميائية والمغناطيسية للأغشية. لوحظ وجود إزاحة ناحية الطيف الأحمر في فجوة الحزمة لأغشية نيتريد التيتانيوم المخدر بالكوبالت / الكروم كدالة لتركيز الكوبالت / الكروم. أكد التحليل بإستخدام مطيافية الأشعة السينية علي وجود الكوبالت في الأفلام وقدر تركيز الكوبالت في الأفلام بين (0-7) في المائة. وقد وجد ان الكوبالت موجود في خليط من حالات الأكسدة المغزلية العالية +2 والدوران المنخفض +3 في أفلام نيتريد التيتانيوم المشبعة بالكوبالت. تكشف الخواص المغناطيسية عن مغنطة ضعيفة للأغشية التي تتعايش مع الخلفية المغناطيسية القوية للركيزة. في تركيزات الكوبالت المنخفضة ، وجد أن الاستجابة المغناطيسية مستقلة عن درجة الحرارة. بالنسبة للأفلام التي تحتوي على تركيزات أكبر من الكوبالت ، لا يُظهر التباطؤ أي مجال قسري واضح ، وتُظهر الأفلام في حالة من المغناطيسية الفائقة أو شبه المغناطيسية عند 3-5 كلفن وتصبح الاستجابة المغناطيسية معتمدة على درجة الحرارة. بينما وجد الكروم في حالة الأكسدة الثالثة والسادسة عند دراسة الأفلام بجهاز مطيافية الأشعة السينية.

English Abstract

The work carried out in this thesis involves the thin film growth and study of transition metal doped nitride semiconductors. Main aim of the study was to find the optimum growth condition to form dilute magnetic semiconductor, where the film can be semiconducting and ferromagnetic at the same time. Dilute magnetic semiconductors have potential applications in new branch of devices called Spintronics, where not only charge but spin of the electrons (or holes) can be exploited to fabricate much faster and low power consumption devices. Two sets of materials were studied in this thesis work, cobalt doped titanium nitride and chromium doped titanium nitride. Cobalt doped titanium nitride thin films were prepared by sputtering titanium target using RF powered sputtering gun and cobalt with DC powered sputtering gun in the presence of argon and nitrogen gasses. Chromium doped titanium nitride films were produced the same way except the chromium target was used for DC sputtering, instead of the cobalt target. The doping level in the films was controlled by adjusting the DC power of the sputtering gun whereas RF power for titanium sputtering was the same for all the films. Surface and bulk properties of the grown films were studied using x-ray diffraction, atomic force microscopy, spectrophotometry, x-ray photoelectron spectroscopy, x-ray reflectometry, and vibrating sample magnetometry (VSM). The concentration of cobalt or chromium dopants in the titanium nitride films effected the optical, chemical, and magnetic properties of the films. A red shift in the bandgap of the cobalt/chromium doped titanium nitride films were observed as a function of cobalt/chromium concentration. X-ray photoelectron spectroscopy confirmed the presence of cobalt in the film and cobalt concentration in the film was estimated to be between (o to 7) %. Cobalt in cobalt doped titanium nitride films was found to be in a mixed high spin +2 and low spin +3 oxidation state whereas Chromium was found to be in third (Cr+3) and sixth (Cr+6) oxidation state. Magnetic properties reveal a weak magnetization for the films coexisting with the strong diamagnetic background of the substrate. The magnetic response in cobalt doped titanium nitride films was found to be temperature independent for the films with low cobalt concentrations, whereas for the films with higher cobalt concentrations clearly exhibited hysteresis and the saturation magnetization increased at lower temperature. The hysteresis did not exhibit any obvious coercive field, and the films showed the features expected of superparamagnetic or paramagnetic environments at 3-5 K.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Physics
Department: College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor: Haider, Muhammad
Committee Members: A. Ziq, Khalil and Alam, Khan
Depositing User: EBRAHIM ABUALGASSEM (g201707830)
Date Deposited: 26 Dec 2021 08:10
Last Modified: 26 Dec 2021 08:10
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/141999