Acoplamento Tipo Mola Magnética em Tricamadas de Filmes Finos

Transcrição

1 IX Escola Brasileira de Magnetismo Universidade Federal do Espírito Santo Centro de Ciências Exatas - Departamento de Física Acoplamento Tipo Mola Magnética em Tricamadas de Filmes Finos Valberto Pedruzzi Nascimento UFES

2 Roteiro Acoplamentos magnéticos Acoplamentos magnéticos em multicamadas Acoplamento mola magnética Sistema NiFe/IrMn/ Agradecimentos

3 Acoplamento

4 Ressonadores Magnéticos

5 Ordem Magnética Momentos Magnéticos Acoplamento entre os momentos magnéticos Ex: Ferromagnetismo Acoplamento magnético Momento magnético

6 Acoplamentos magnéticos Interação dipolar (extra atômica) dipolo-dipolo Interação de longo ancance. Não explica a temperatura de ordem dos ferromagnetos (E = K B T). Origem da anisotropia de forma e energia magnetostática. Aparecimento de domínios magnéticos.

7 Acoplamentos magnéticos Interação dipolar (Intra-atômica) Carga Dipolo Multicamada Au/(4ML)/Au J. Stöhr, J. Magn. Magn. Mater. 200 (1999) 470. Relevante para filmes ultrafinos (< 10 ML). Interação do tensor quadripolar de carga (anisotropia da densidade de carga dentro da esfera atômica) com o momento dipolar de spin. Anisotropia do momento dipolar de spin. ntribuição geralmente desprezível para a energia magnetostática.

8 Acoplamentos magnéticos Interação spin-órbita Interação do campo gerado pelo momento orbital atômico L sobre o momento magnético dipolar de spin m s. * Desdobramento dos níveis para L 0. Responsável pela quebra de simetria nos metais 3d participando da geração do momento orbital e de sua anisotropia (em filmes ultrafinos). Por ser anisotrópica e depender das direções cristalográficas tem profunda correlação com a anisotropia magneto-cristalina.

9 Acoplamentos magnéticos Interação de Troca Direta Heisenberg Interação isotrópica e principal responsável pela ordem magnética nos metais. Baseada na repulsão coulombiana e na indistinguibilidade das partículas. Deve haver superposição das autofunções de ondas correspondentes aos estados das partículas e o princípio de Pauli deve ser respeitado. Por ser mais forte que a interação dipolar explica a temperatura de ordem magnética nos metais. Participa juntamente com a anisotropia magnética da determinação do tamanho das paredes de domínios.

10 Acoplamentos magnéticos Interação de Troca Indireta em metais - RKKY Explica o magnetismo em metais terra-raras e de impurezas magnéticas em matrizes não magnéticas. O acoplamento é FM ou AF dependendo da distância entre os íons ou impurezas. Pode ser associado às oscilações encontradas nas multicamadas, mas falha na maioria das vezes em determinar o período de oscilação.

11 Acoplamento magnético em multicamadas Camada 3 FM 2 Camada 2 - Espaçador Acoplamento magnético entre multicamadas magnéticas separadas por espaçador não magnético. Camada 1 FM 1

12 Acoplamento entre camadas Fe/Cr/Fe Grunberg et al., PRL, 57 (1986) 2442 [Fe/Cr] n Baibich et al., PRL, 61 (1988) 2472 GMR /Cr, /Ru, Fe/Cr Parkin et al., PRL, 64 (1990) 2304

13 Acoplamento Magnético Espaçadores PM/DIA (Espaçador passivo) Modificado Heinsenberg E bl J bl M M MM M1 M 2 M1 M 2 Eex Jbl Jbq M1M 2 M1M 2 2 M 2 M 1 espaçador C3 C2 C1 M 2 M 1 espaçador M 2 M 1 espaçador Jbl 0 Jbl 0 Jbq 0 Acoplamento FM Acoplamento AFM Rührig et al., Phys. Stat. Sol. (a), 125 (1991) 635

14 Modelo de Poços Quânticos

15 Interação Dipolar Orange-Peel P. Vargas and D. Altbir, Phys. Rev. B 62 (2000) 6337

16 Orange-Peel e RKKY T. Lucinski et al. J. Magn. Magn. Mater. 269 (2004) 78

17 Efeitos mbinados Orange-Peel/RKKY C. L. Zha et. al., IEEE Trans. Magn. 45 (2009) 3881

18 Polarização de Troca (EB) Meiklejohn e Bean Phys. Rev. 102 (1956) Nanopartículas de /O T>T N H C M M (FM) AFM H H FM AFM T=300K H T=77K H C H EB

19 Acoplamento mola magnética Parede de domínio no AFM Exchange Spring Mauri et al., JAP, 62 (1987) 3047 (2,5 nm)/nio(001) Scholl et al., PRL, 92 (2004) t 15 nm 5 tafm 9 nm AFM NiFe(20 nm)/femn(x)/(10 nm) Yang et al., PRL, 85 (2000) 2597

20 Mola magnética e polarização de troca Yang et al., PRL, 85 (2000) 2597

21 Modelo de Slonczewski Espaçador AFM (Espaçador Ativo) Slonczewski, PRL 67 (1995) 22 Variação de energia livre Camada i camada j Aproximação de ângulo médio Modelo de Proximidade FM AFM M 2 espaçador AFM M 1 Rotação de um ângulo E C C ( ) ex 2 2

22 Artigos (Mola magnética) E. E. Fullerton et. al. Phys. Rev. B 58, (1998). P. Steadman et al. Phys. Rev. Lett. 89, (2002). K. V. O Donovan et. al. Phys. Rev. Lett. 88, (2002). A. Scholl et al. Phys. Rev. Lett. 92, (2004). R. Morales et al. Appl. Phys. Lett. 95, (2009). K. Li et al. J. Appl. Phys. 94, 5905 (2003). W. Lu et al. Appl. Phys. A 108, 149 (2012). Guang-hua Guo et al. Appl. Phys. Lett. 93, (2008). M. fur et al. Appl. Phys. Lett. 102, (2013). I. L. Castro et al. J. Appl. Phys. 113, (2013).

23 Textura Cristalina do AFM Efeito de Exchange Bias Efeito de Exchange Spring

24 Amostras Preparadas Seqüência de Crescimento Si(100) X(10 nm) Si(100) Ni 81 Fe 19 (20 nm) X(10 nm) Si(100) Ir 20 Mn 80 (t nm) Ni 81 Fe 19 (20 nm) X(10 nm) Si(100) (10 nm) Ir 20 Mn 80 (t nm) Ni 81 Fe 19 (20 nm) X(10 nm) Si(100) X(10 nm) (10 nm) Ir 20 Mn 80 (t nm) Ni 81 Fe 19 (20 nm) X(10 nm) Si(100) Substrato/Semente (Buffer) Filme FM1 Filme AFM Filme FM2 Protetora (Cap-layer) Substrato(orientação)/Camada Semente/FM 1 /AFM/FM 2 /Camada protetora SÉRIE-A: Si/Cu(10nm) Ni 81 Fe 19 (20 nm) Ir 20 Mn 80 (t=3, 5, 6, 7, 8, 12,15 nm) SÉRIE-B: Si/(10 nm) Ni 81 Fe 19 (20 nm) Ir 20 Mn 80 (t=4, 6, 8, 12, 15, 18, 20, 24, 30 nm) (10 nm) (10 nm) Cu(10 nm) (10 nm)

25 IrMn-fcc tirmn=4 Difração convencional nm tirmn=6 nm de RX Série-B tirmn=8 nm Amplitude Relativa NiFe fcc tirmn=12 nm Amostra fcc t tirmn=15 tirmn=18 43,2 43,8 44,4 45,0 nm nm 2 47,8 tirmn=20 nm IrMn fccnife e (2 41, 2 ) fcc tirmn=24 nm (2 44, 2 ) tirmn=30 nm Parâmetro de rede (nm) IrMn manho de grão (nm) L12 IrMn3 6,4Bulk 0, 2 6 nm 0, ,0001 a8, 3 0, ,1 t IrMn 8 nm 0, ,0001 t IrMn 12 nm 0, , ,0 0,1 t IrMn 15 nm 0, , ,7 0,1 t IrMn 18 nm 0, , ,1 0, 2 t IrMn 20 nm 0, , , 3 0, 2 t IrMn 24 nm 0, , ,6 0, 2 t IrMn 30 nm 0, , ,1 0, 2 Orientação IrMn : 40 V. P. Nascimento (graus) , 2 (100) IX EBM

26 Difração convencional de RX Série-A Camada Buffer de Cu IrMn-fcc Cu NiFe-fcc e -fcc Cu =4 nm tirmn tirmn=4 nm Substrato de Si Amostra Cu Relativa AmplitudeRelativa Amplitude Cu =6 nm tirmn tirmn=6 nm t Cu Cu IrMn IrMn t t =8 nm =8 nm Cu IrMn 6 nm Parâmetro de rede (nm) 0, 378 0,001 manho de L12 grão IrMn3 (nm) Bulk a 0, Cu t IrMn 12 nm 0, , ,1 0,5 Cu t IrMn 15 nm 0, ,0002 9,9 0, 3 Cu Cu =12 nm tirmn tirmn=12 nm 1000 IrMn [111] IrMn fcc Cu tirmn=15 nm (2 41, 2 ) x NiFe e fcc (2 44, 2 ) Substrato Si (2 47, 8 ) Orientações IrMn : IrMn [200] Cu tirmn=15 nm , 2 (100) [200] 2 48, 2 (41) (graus) 2 (graus) V. P. Nascimento IX EBM

27 Medidas de Magnetização: Momento (emu) Protocolos de medida M(H) Protocolo 1 0,0004 0,0002 t Cu =15 nm IrMn H FC =10 Oe T=300K T=400 K NiFe H=±500 Oe Protocolo 2 0,0000-0,0002 H=±500 T=300 Oe K H C -0,0004 H EB t Cu IrMn =15 nm H(Oe)

28 Estudo da Anisotropia Planar Caso: Série-A Buffer Cu 1,0 0, Porta amostra do VSM Si (100) [110] do Si [110] Marca feita antes da deposição dos filmes 0 M/M M/M max max 0,0-0, , Campo Magnético (Oe) H FC H[110] 10 Si Oe FC Cu Amostra t 6 IrMn nm

29 Caso: Série-B Buffer Porta amostra do VSM HFC 10 Oe 1,0 0,5 0 1,0 0, [110] do Si M/M max 0,0 M/M max 0,0-0,5-0,5 0-1, Campo Magnético (Oe) -1, Campo Magnético (Oe) 45 1,0 70 1, ,5 0,5 90 M/M max 0,0 M/M max 0,0-0,5-0,5-1,0-1, Campo Magnético (Oe) Campo Magnético (Oe) Amostra t 8 IrMn nm

30 1,0 Medidas de M(H) NiFe NiFe / IrMn NiFe : H H HES EX : H H EX EB IrMn/ EB 0,5 NiFe M/M max 0,0-0,5 NiFe H 0 Oe -1,0 t Cu IrMn =5 nm tcu NiFe IrMn =15 nm H (Oe) Série-A Buffer Cu

31 H EX (Oe) H EX (Oe) mportamento do H EX Série-A Buffer Cu Série-B Buffer NiFe Série-A H t IrMn (nm) NiFe 0 Oe Série-B t IrMn (nm) NiFe

32 Ressonância Ferromagnética FMR Varredura no plano do filme Série-A Cu Banda X f = 9,79 GHz curva de absorç ão da(oe) Derivada H res o ( ) NiFe NiFe o = HEB = -104 Oe HEB = 26 Oe 130 NiFe NiFe Hres Hres Cu Banda X f = 9,79 GHz V. P. Nascimento 0,0 350 tirmn=15 nm Cu tirmn=15 nm 0, , , ,8 1, H (koe) 1,2 1, , , tirmn (nm) ângulo do campo, IX EBM

33 Ressonância Ferromagnética FMR Varredura no plano do filme Série-B 200 Dependência Angular - Série-B modo-s NiFe modo-s modo-s = NiFe HEB =44 Oe modo-s HEB= -65 Oe modo-s 230 H 320 Banda X f = 9,79 GHz NiFe o Banda X f = 9,79 GHz H res (Oe) curva da Derivada ( ) de absorç ão Hres NiFe Hres tirmn=15 nm tirmn=15 nm 0,0 0,2 0, , , ,0 1,2 1,4 1,6 1, H (koe) ângulo do campo H ( ) 2, , tirmn (nm) V. P. Nascimento IX EBM

34 R A (%) Amplitude (u.a.) Espalhamento Magnético Ressonante de Raios-X H + + H R Refletividade magnética em ângulos =20 R A H H H H E 778,5 ev E=778.5 ev (graus) (graus) Amostra como depositada Série-A

35 ntagens (x10 7 u.a) ntagens (10 4 u.a.) M/M M/M max max ntagens (x10 ntagens 4 u.a) (10 ntagens 4 u.a.) (10 5 u.a.) ntagens ntagens (10 (10 4 u.a.) 5 u.a.) ntagens (x10 4 u.a) ntagens (10 (10 5 u.a.) 5 u.a.) Espalhamento Magnético Ressonante Série-A Série-B Amostra como depositada 1,0 1,0 0,5 0,5 0,0 0,0-0,5-0,5-1,0 5,2 1,2 4,8 0,9 4,4 4,0 0,6 3,6 VSM Fe 2 = = H (Oe) H (Oe) Ni 1,4 Ni 2 = =30.2 1,2 1,0 de Raios-X 0,35 0,34 7,2 0,33 6,8 0,32 6,4 2 Histerese Magnética -0,5 0,31 6,0-1,0 Fe 3,4 16 0,8 2 =15 2,7 3, =13 2 = 23 2 =23 3,2 4,0 3,1 14 0,6 2,6 3,0 13 H EB = -81 Oe H EB =-116 Oe 3,6 2,9 2,5 12 2,8 0,4 2, , H (Oe) H (Oe) H (Oe) H (Oe) 400 M/M M/M max max 1,0 0,5 0,0 VSM E 778,5 ev Sinal magnético 2 20 Amostra com EB Fe 2 =15.6 Fe 2 =15 Mn 2 =19,1 = H (Oe) H + H - 1,10 3,95 1,08 3,90 1,06 3,85 1,04 3,80 1,02 3,75 1,00 3,70 0,98 3,65 1,02 0,83 1,01 0,82 1,00 0,99 0,81 0,98 0,80 0,97 0,79 0,96

36 nclusões Buffer Cu Série A: [111],[200],[220] fcc IrMn Buffer Série B : [111] fcc IrMn Cu tirmn tirmn 6 nm 8 nm L1 IrMn 2 3 H EX Série B tirmn 4 nm Série A Cu tirmn 12 nm H EX NiFe EX H IrMn/ EB H H H ES NiFe/ IrMn Amostra virgem Amostra EB EB EB ES [111] IrMn

37 nclusões Estruturas de tricamadas onde o espaçador ativo antiferromagnético separa camadas ferromagnéticas, dura e mole, tendem a apresentar o acoplamento do tipo mola magnética. Este tipo de acoplamento pode ser explicado pelo modelo de Slonczewski. A textura cristalográfica influencia indiretamente na forma e intensidade do acoplamento. A polarização de troca (EB) e o acoplamento tipo mola (ES) são eventos independentes.

38 Agradecimentos