1. Ciencia

Multicapas magnéticas: su interés y
cómo estudiarlas. Propuesta de
estudio del sistema GdCo/Co.
Ricardo López Antón
Universidad de Castilla – La Mancha
Facultad de Químicas. Ciudad Real.
Esquema de la presentación
Multicapas magnéticas
¿qué son? ¿por qué son interesantes? ¿Cómo obtenerlas? ¿Cómo estudiarlas?
Ejemplo de estudio propuesto para sistemas multicapas: GdCo/Co
¿Por qué es interesante? ¿Qué se ha estudiado previamente y qué quisiéramos
estudiar/modelizar?
Multicapas magnéticas
Multicapas (multilayers)
Una multicapa es un conjunto de capas de diferentes
substancias. Estas capas suelen ser de espesores
nanométricos si bien pueden tener tamaños mayores.
Los componentes de las multicapas pueden ser muy
variados: metales, óxidos, vidrios, materiales
orgánicos…
Las capas suelen tener espesores del orden de los nanometros y podemos
tener desde 2 capas hasta más de 200.000. Como suele pasar con los nanomateriales, sus propiedades pueden ser muy diferentes de las de muestras
masivas.
De hecho las multicapas fueron de los primeros sistemas nanoestructurados
fabricados, comenzando el auge actual por la nanotecnología.
Sus usos son muy variados y diversos:
• tratamientos antirreflejos en las lentes
• cabezales de disco duro
• microeléctronica
• recubrimientos para mejorar la resistencia térmica y mecánica de
materiales aeronáuticos
• superespejos (supermirrors) para las guías de neutrones
• y un largo etcétera…
Multicapas magnéticas
Las multicapas magnéticas, en que algunas de las capas son (ferro, ferri, antiferro)magnéticas, son de gran interés tanto científico como tecnológico (p.e., espintrónica)
Veremos a continuación varios aspectos y propiedades interesantes de estas
multicapas:
Acoplamiento ferro/antiferro de capas magnéticas dependiendo del espesor
del separador
Diseño de materiales ferro y antiferro artificiales
F artificial
0.002
0.001
m (emu)
0.0020
0.0015
0.000
-0.001
0.0010
-0.002
-4000
m (emu)
0.0005
-2000
0
2000
4000
H (Oe)
0.0000
AF
-0.0005
-0.0010
artificial
0.002
-0.0015
0.001
-0.0020
-2000
0.000
-1000
0
H (Oe)
Trabajos de P. Grünberg et al.
1000
2000
-0.001
-0.002
-4000
-2000
0
2000
4000
GMR (Magnetorresistencia gigante) y TMR (Magnetorresistencia de efecto túnel)
Fert y Grünberg descubrieron en 1988 que la
resistencia de multicapas Fe/Cr/Fe cambiaba
mucho al aplicarle campo magnético.
Esto es debido al diferente scattering
electrónico según su espín sea paralelo o
antiparalelo al momento magnético de la capa
magnética.
(Premio Nobel de Física 2007)
También se observa un fenómeno semejante
en juntas túnel (TMR)
Exchange Bias (anisotropía unidimensional)
Este fenómeno consiste en un desplazamiento
horizontal del ciclo de histéresis al enfriar con
campo magnético (pasando por la TN) de un
sistema con fases FM y AFM adyacentes y fue
observado inicialmente por Meiklejohn y Bean
en 1956 en nanopartículas de Co/CoO. Y se
asocia al canje entre las dos fases.
Se ha observado este efecto en sistemas
multicapas así como en sistemas con fases ferri
y vidrios de espín.
Se utiliza para anclar(”pin” en inglés) alguna
capa magnética en multicapas.
El descubrimiento de la GMR y TMR así como el uso del “Exchange Bias” permitió
la creación de válvulas de espín.
DR/R
Válvula de espín abierta
Válvula de espín cerrada
SL: CoFe, NiFe
Cu, Al2O3, MgO
HL: Co, CoFe
(anclado por EB)
H
Cu/metal no magnético: GMR válvula de espín
Aislante: TMR válvula de espín
Actualmente se usan
como
sensores
magnéticos, cabezales
de disco duro, en
memoria magnética MRAM…
¿Cómo obtenerlas?
Podemos utilizar varias técnicas de obtención de películas delgadas para fabricar
multicapas. Presentaré aquí las más habituales:
Sputtering (pulverización catódica)
PLD (ablación láser)
Versátil, algo más barata que el sputtering.
Bastante usada para óxidos.
MBE (Epitaxia de haz molecular)
Electrodeposición
La más habitual, siendo versátil y no
demasiado cara (relativamente)
Permite controlar el depósito a nivel atómico
pero es bastante lenta y muy cara.
Muy barata pero solo permite depositar
materiales conductores (metales básicamente)
¿Cómo estudiarlas?
Dadas sus características, conviene utilizar varias técnicas complementarias para su
estudio.
Microscopias
AFM/SEM
Nos puede valer para hallar
la rugosidad superficial
El MFM puede usarse para
ver dominios en el plano
pero solo para la primera
capa magnética.
TEM
Permite sacar micrografías de la
sección transversal en alta definición
así como para obtener mapas
químicos (con EELS)
La difracción de rayos X no es demasiado útil pero en
cambio la reflectometría sí.
Reflectometrías
Reflectometría de neutrones
polarizados
Reflectometría de rayos X
Nos permite obtener información sobre
espesores de las capas, rugosidades…
Con la reflectometría de r-X magnética
(en sincrotrones) podemos sacar
información magnética de algún
elemento.
Además da información sobre el
magnetismo
de
las
películas
magnéticas y distingue mejor la
contribución de capas de elementos
ligeros.
10
3
3
3
M(emu/cm )
600
Reflectivity (a.u.)
2
10
1
10
0
10
-1
10
-2
10
0.1
2
3
4
Sample angle (deg)
5
0
0
100
200
300
400
500
1E-4
1E-6
1
1
1E-3
-4
0
2
200
0
1E-5
10
400
0.01
-3
10
M (B/Mn)
1
Intensity (arb. units)
4
T=150K
X10
10
R+
Rfit
0.03
0.06
0.09
-1
q (Å )
0.12
0.15
Medidas magnéticas
Evidentemente, las medidas que nos pueden aportar más información sobre el
magnetismo de estas muestras.
Magnetometría SQUID/VSM
[LCMO(bottom), 65 nm] / [LCMO(barrier), 1.2 nm] / [LCMO(top), 10 nm]
0.5 cm
Nos da información sobre el
magnetismo total de las multicapas
H
1 cm
5K
20 K
100 K
0.001
M (emu)
 = 0º
400
0.000
-0.001
H = 100 Oe
3
M (emu/cm )
300
-1000
200
-500
0
500
1000
H (G)
45
30
100
25
0
100
150
200
250
300
350
Temp. (K)
MOKE
Nos da información sobre la imanación de la capa/capas
más próximas a la superficie.
Medidas de magnetotransporte
Bastante útiles para ciertas multicapas.
Simulaciones/modelización
Nos permite simular y/o modelizar lo
que tenemos e intentar ajustar
nuestros datos experimentales al
modelo propuesto.
H=600Oe
10-2
Flipping ratio
INTENSITY
0.03
10-4
-5
20
0.02
10
0.01
0.00
0
-0.01
-10
-0.02
H=250 Oe
-20
-0.03
10-6
0.04
0
0.06
0.08
0.10
-1
Col 1 vs 54419.uu
Q(Å )
0.12
0.14
30
50
100
150
200
Temperature (K)
250
300
Gd signal (arb. units)
Experimental data
Simulation
0.04
10
40
0.05
10-3
Estudio del sistema GdCo/Co
Interés del sistema
El sistema Gd/Co presenta un canje
antiparalelo entre el Gd y el Co
400
TC del Co y el Gd
muy diferentes
3
M (emu/cm )
300
200
45
30
100
25
0
100
150
200
250
Temp. (K)
300
350
Sistema ferrimagnético artificial
se tiene un mínimo de la imanación a
una temperatura de compensación
(dependiendo de los espesores
relativos).
En las cercanías de esa T de
compensación podemos tener estados
magnéticos “twisted” (no colineales)
tipo spin-flop o exchange-spring
Asimismo podemos tener un campo
crítico a partir del cual los momentos
magnéticos dejan de estar en la
dirección del campo aplicado.
Como vemos, el sistema tiene apreciable interés desde el punto
de vista magnético (para más información, mirar trabajos
teóricos de Camley al respecto)
Ahora bien, existe una fuerte interdifusión entre el Co y el Gd, como ya estudió
nuestro grupo mediante PNR.
Co60
Co37
J.A. González et al,
Physica B 345 (2004) 181–
184
Por tanto, pasamos de dicho sistema al Gd47Co53/Co,
ya que con esa aleación se mantiene el sistema
ferrimagnético artificial pero con intercaras más
nítidas y sin interdifusión.
Otro aspecto interesante que aparece en este sistema es la histéresis térmica:
Hap
Measurement sequence
250
200
150
M (emu/cc)
100
GdCo
50
0
-50
-100
-150
-200
50
Co
100
150
200
250
300
Temp. (K)
[(Gd0.47Co0.53)50Å /Co40Å]x20
Total
350
240
[(Gd0.47Co0.53)50Å
/Co40Å]x20
180
Tcomp
500 Oe
300
40 Oe
150
20 Oe
0
60
0
-120
Tr
H=20 Oe
10 Oe
Tr
-180
50
100
150
200
300
)
Tr
3
-60
250
300
350
Temp. (K)
La histéresis térmica es muy sensible al:
o campo aplicado
o anisotropía magnética
M (emu/cm
M (emu/cc)
120
150
0
H=30 Oe
300
150
0
H=50 Oe
50
100
150
200
250
Temperature (K)
J.P Andrés et al, PRB 77 (2008) 144407
300
350
¿Qué tenemos?
• multicapas GdCo/Co obtenidas en nuestro sputtering
• Bien caracterizadas magnéticamente
• Caracterización estructural con reflectometría de rayos
X (ESRF) evidenciando la correlación de las rugosidades
• Medidas de reflectometría de rayos X magnética
resonante (Xmas, ESRF) en el borde del Gd
J.P Andrés et al, PRB 77 (2008) 144407
0.08
3
10
0.06
2
Flipping Ratio
Intensity (arb. units)
10
1
10
0
10
0.04
0.02
0
-1
10
-2
-0.02
2.5
10
-3
10
-4
10
0
1
2
3
4
Sample angle (deg)
5
2.7
2.9
3.1
3.3
3.5
Simulaciones
• Realizamos unas simulaciones de las M(T)de nuestras muestras
 basándonos en los modelos de Camley,
 con una cadena unidimensional de espines
 interacciones de canje Co-Co, Co-Gd y Gd-Gd
 efecto campo externo (Zeeman)
• Los resultados de las simulaciones no son totalmente satisfactorios
Hacen falta campos externos bastante menores de los reales
40
0.05
400
300
0.03
Flipping ratio
3
Magnetization (emu/cm )
Experimental
Sim: H = 250 Oe
Sim: H = 10 Oe
Experimental data
Simulation
0.04
20
0.02
10
0.01
0.00
0
-0.01
-10
-0.02
H=250 Oe
0
50
100
150
200
Temperature (K)
100
0
-20
-0.03
200
0
50
100 150 200 250 300 350 400
Temperature (K)
30
¿Sobreparametrización?
250
300
Gd signal (arb. units)
500
La simulación de la
reflectividad magnética
resonante también es
mejorable
Buscamos colaboraciones con expertos en simulación para completar estas
simulaciones y extenderlas a la histéresis térmica (introduciendo el Hc)
Asimismo, si la colaboración/simulación sale bien,
también se puede extender a los sistemas
GdCo/X/Co (X espaciador no magnético) que
estudian G. Kurlyandskaya y A. Svalov, de la
UPV/EHU (y con los que colaboro años ha)
A.V. Svalov et al, Physica b 396 (2007) 113116
A.V. Svalov et al, J. Alloys and Comp. 419
(2006) 25-31
a.v. svalov et al , Chin. Phys. Lett 22 (2005)
3169-72