Magnetic and magnetoelastic properties of FeGa epitaxial thin films for low-power Magnetoelectronics

Esta tesis aborda la fabricación y caracterización de películas delgadas de la aleación hierro-galio (FeGa). El interés de esta aleación reside en su alto valor de magnetostricción tetragonal, la cual puede ser 100 veces superior a la del Fe puro. Se han fabricado películas epitaxiales delgadas de FeGa en un rango de 10-50 nm mediante MBE sobre dos tipos de sustratos: MgO y PMN-PT. Estas muestras han sido caracterizadas estructural (RHEED, TEM, XRD, XRR) y magnéticamente (VSM, MOKE, MFM, magnetometría de placa en voladizo).Sobre sustratos MgO se ha estudiado la dependencia magnética y estructural con la temperatura de depósito y contenido de Ga en la aleación. Los resultados indican que al aumentar la temperatura de depósito su superficie se vuelve rugosa. El aumento en contenido de Ga implica la observación de fases cristalinas ordenadas y la aparición de estructuras de dominios magnéticos corrugados atribuibles a una anisotropía magnética aleatoria débil.Además, se han medido a temperatura ambiente los coeficientes magnetoelásticos irreducibles B1 y B2 para aleaciones FeGa y FeGaTb, sin observarse cambios significativos al dopar con Tb. En cambio, para la aleación FeGaCu los valores de dichas tensiones magnetoelásticas disminuyen, debido a la presencia de una fase omega observada mediante TEM.Sobre sustratos ferroeléctricos PMN-PT se han buscado aplicaciones en el campo denominado "Straintronics". Las películas crecidas sobre PMN-PT(011) muestran anisotropía uniaxial, que no varía al aplicar campo eléctrico perpendicular. En cambio, las películas crecidas sobre PMN-PT(001) muestran un giro de anisotropía uniaxial y de la imanación de 90º al aplicar campo eléctrico sin presencia de campo magnético, con un elevado valor del coeficiente magnetoeléctrico inverso de 15 E-6 s/m. Se ha probado con éxito que estas heteroestructuras pueden integrarse en memorias no volátiles.<br /

Rare earth adatoms and nanoislands studied by scanning tunnelling microscopy

El trabajo de esta tesis se ha centrado en el estudio y caracterización de las propiedades electrónicas y magnéticas del tulio (Tm) a escala atómica. El interés del magnetismo de atómos y estructuras de tierras raras reside en la capa incompleta 4f, altamente localizada, lo cual reduce los efectos de hibridación, dando lugar a un comportamiento de los momentos de spin y orbitales más parecidos a la situación del átomo libre; como contraprestación, la localización de los estados 4f hace que su papel en la conducción y transmisión por túnel no sea siempre evidente. El interés en estructuras de tierras raras (RE) de bajas dimensiones, más allá de la producción de capas delgadas ferromagnéticas o antiferromagnéticas, encuentra su justificación en la mejora de propiedades de interés tecnológico: formación de dominios magnéticos perpendiculares en capas adyacentes de metales de transición (TM), aumentar el momento magnético de multicapas RE-TM, mejorar las características de válvulas de spin, etc... Un sistema nanoestructurado introduce su geometría como una variable adicional, puesto que existe una fuerte relación entre el tamaño de la estructura, su estructura cristalina y sus propiedades magnéticas. Una parte de esta tesis se dedica al estudio de la preparación y caracterización de capas de tulio con una monocapa atómica de espesor, así como de islas nanométricas monocapa de dicho material. Reducir más las dimensiones lleva al límite del átomo individual. Un átomo magnético en una superficie es el sistema de almacenamiento de información más pequeño que se puede concebir, a día de hoy, ya sea almacenando un bit en base 2 mediante un átomo con espín efectivo 1/2, o incluso bits más complejos, con un mayor número de estados, si se tuviera suficiente control sobre el estado de espín del átomo. El estudio del magnetismo de átomos individuales ha crecido mucho en las dos últimas décadas, impulsado por el desarrollo de técnicas experimentales que han hecho posible su investigación. Para experimentos locales, con resolución espacial de átomos individuales, la microscopía de efecto túnel (STM) y, en particular, su versión polarizada en espín, así como la espectroscopía túnel de excitación inelástica, han mostrado ser fundamentales en el estudio de las propiedades magnéticas de átomos individuales, y han sido utilizadas extensamente para la caracterización de átomos de metales de transición sobre distintos sustratos. Con el objetivo de mejorar las propiedades pero manteniéndose en la escala de átomos individuales, esta línea de investigación ha dirigido su atención hacia el estudio de tierras raras, convertiéndose en un tema candente durante el transcurso de esta tesis. La reciente publicación de varios trabajos en revistas de alto impacto, así como la realización límite de un átomo magnético individual con un comportamiento biestable, indican que el estudio de tierras raras a esta escala mantendrá su relevancia en el futuro próximo. En este contexto, los experimentos y conclusiones obtenidos en esta tesis han contribuido a la discusión del uso de STM en la caracterización de átomos de tierras raras, en concreto ayudando a dilucidar la composición de la corriente túnel y cómo ello afecta a la posibilidad de interactuar con los estados 4f. En esta tesis se presenta el estudio de átomos de tulio y de lutecio sobre sustratos de distintas características: metálico, aislante y ferromagnético. El sustrato ferromagnético utilizando en la sección anterior consiste en islas de hierro una monocapa atómica de espesor crecidas sobre tungsteno. Este sistema presenta un comportamiento asimétrico del estado de superfice en ambos materiales. Este hecho es estudiado en detalle y explicado mediante un modelo, teniendo en cuenta la interacción entre ambas capas.This thesis has devoted its attention to the study and characterization of electronic and magnetic properties of Thulium at the atomic scale. The interest in studying the magnetism of rare earth adatoms and monolayers resides in the localized character of the 4f states, which protects them from hybridization effects and preserves atomic-like spin and orbital magnetic moments; at the same time, the role of 4f states in conduction and tunnelling is not always obvious. Interest in low-dimensional rare earth magnetic structures, beyond ferromagnetic or antiferromagnetic thin films, has its place in the form of inducing perpendicular magnetic anisotropy in adjacent TM layers, enhancing of magnetic moment in RE-TM multilayers, or improving the characteristics of spin valves; producing nanostructured systems introduces geometry as another variable, as there exists a strong relation between crystal structure, size and magnetic properties. Chapters 3 and 4 deal with the preparation and characterization of the Tm monolayer and monolayer nanoislands. Reducing dimensions further leads to the single atom. A magnetic single atom on a surface is the smallest conceivable system for storing information, be it as a typical base 2 bit represented by spin-up (1) and spin-down (0) states of an atom with an effective spin 1/2, or even more complex, multi-state bits, if such control of the spin state is achieved. The study of the magnetism of single atoms has grown steadily over the last two decades, accompanied by the development of powerful tools for this purpose. For spatially resolved experiments, spin polarized STM and inelastic excitation tunnelling spectroscopy have proven invaluable in the study of the magnetic properties of individual atoms and have been used to extensively characterize Transition Metal atoms and structures on different substrates. In the pursuit of improved properties at the atomic limit, the study of rare earth atoms on metallic and insulating surfaces has become a hot topic during the course of this thesis and, with the recent publication of several studies in high impact journals, promises to stay relevant in the foreseeable future. In 138 Chapter 7. RE adatoms on Fe/W(110): The role of d and f electrons this context, the experiments and findings here reported have contributed to the discussion of STM experiments on RE, in particular regarding the orbital composition of the tunnelling current and how it limits the access to 4f electrons. Chapters 4, 5 and 7 study individual Tm and Lu atoms on different substrates, while chapter 6 is devoted to the ferromagnetic Fe islands that serve as a substrate for the atoms in chapter 7

Preparation and characterization of epitaxial thin films and patterned nanostructures of Ni/Cu and Fe/Cu

El objetivo del trabajo realizado en esta tesis titulada: Preparation and magnetic characterization of epitaxial thin films and patterned nanostructures of Ni/Cu and Fe/Cu es establecer relaciones entre las propiedades magnéticas de sistemas nanoestructurados y sus dimensiones físicas o factores estructurales que aparecen al reducirse la dimensión espacial a dos, en el caso de películas delgadas, y a una en el caso de elementos patronados. Los sistemas objeto de estudio se caracterizan por ser estructuras monocristalinas, ya que se han usado en su preparación técnicas de evaporación de materiales en ultra alto vacío sobre un monocristal o capas monocristalinas de cobre, lo que permite obtener estructuras epitaxiales de metales como níquel y hierro. Hay que resaltar que la disponibilidad de un elevado número de técnicas de medida ha permitido afinar los parámetros de preparación (espesores, ritmos de crecimiento de materiales, etc). Esta capacidad de las instalaciones alojadas en la Universidad de Zaragoza y sus Institutos de Investigación posibilita la preparación de nanoestructuras morfológica y composicionalmente bien conocidas y, a partir de ellas, profundizar en el conocimiento de sus propiedades físicas, como se ha hecho en esta tesis con la anisotropía magnética, tanto mediante el crecimiento de capas del mismo tipo (multicapas de níquel) o distinto (por ejemplo hierro), como con la realización de procesos de nanofabricación que permite preparar nanoelementos magnéticos. Introducción Los materiales magnéticos nanoestructurados se usan en dispositivos relacionados con la industria de la informática (discos duros, cabezas lectoras) debido a la capacidad de conservar la información y la capacidad de reducción de su dimensión lateral. Ello ha sido posible, por un lado, gracias al uso de mejores sensores de lectura del campo de fuga basados en los efectos magnetorresistivo gigante y túnel y, por otra, a la disminución del tamaño de grano y aumento de la estabilidad del medio mediante el uso de capas con anisotropía perpendicular. Se ha propuesto aumentar la densidad de bits mediante el uso de materiales de elevada anisotropía magnética, que requieren, un proceso asistido térmicamente, que se consigue aplicando una haz láser o usando un medio patronado en el que se elimina la irregularidad de zona de transición entre bits, y por tanto el ruido, además de que el criterio de estabilidad térmica se refiere ahora a todo el elemento magnético y no a cada uno de los granos que forman el bit en una película delgada. Por otro lado, frente a un tipo de almacenamiento pasivo, en el que la configuración de dominios del medio se modifica externamente mediante una cabeza lectora-escritora móvil, que actúe sobre cada elemento, se ha propuesto actuar dinámicamente sobre el material magnético a través de la inyección de corrientes de electrones polarizados en hilos que permitan mover coherentemente las paredes de los dominios magnéticos. El movimiento de dominios magnéticos coherentemente en hilos con geometrías controladas ha permitido generar una biblioteca de elementos con funciones iguales a los usados en tecnología de semiconductores y ello abre la puerta al desarrollo de una tecnología basada en la lógica magnética. Gran parte del trabajo realizado se ha referido a estructuras cuya anisotropía magnética esta dominada por la anisotropía de forma, ejemplos son las paredes head-to-head o tail-to-tail en hilos planos, los estados vórtice, onion y twisted en anillos debido al carácter policristalino del material que forma el elemento magnético. Parece necesario un estudio más completo del fundamento físico de la anisotropía magnética en este tipo de sistemas nanoestructurados, ya que en hilos de metales magnéticos con anisotropía perpendicular se aprecia una intensidad de corriente de activación de las paredes de dominio inferior a la que se observa en hilos con anisotropía en el plano, debido a la diferente configuración de sus paredes de dominio. Por otro lado, uno de los factores que puede influenciar el comportamiento magnético de un material cuando se reduce su tamaño, ya sea en forma de película delgada o superred o elementos patronados, es la aparición de tensiones o deformaciones residuales que modifican parámetros magnéticos como la anisotropía magnética, la estructura de dominios o el campo coercitivo. Para poder estudiar con claridad estos efectos se requiere la utilización de materiales monocristalinos. A continuación se resumen los temas y resultados obtenidos en esta tesis. Resultados y Conclusiones Superredes de Ni/Cu y capas de Fe/Cu/Ni Desde el punto de vista magnético, el sistema Ni/Cu es interesante dada la observación de anisotropía perpendicular (AP) a temperatura ambiente en el rango de espesores de Ni de 2 a 14 nm. La observación de AP es debida a un efecto magnetoelástico (ME) inverso que acopla la deformación de la estructura cristalina, que puede llegar a ser del 2.5% para la deformación en el plano, con la tensión ME correspondiente B. Se ha estudiado cómo se modifica el comportamiento magnético de capas con AP, por un lado mediante el apilamiento de varios bloques de Ni, separados por una capa de cobre y por otro mediante el depósito de una película de hierro. La preparación de estas películas se ha realizado mediante la técnica de evaporación en vacío ultra alto en la instalación de epitaxia de haces moleculares (MBE) de la Universidad de Zaragoza. Esta instalación dispone de una balanza de cuarzo para el control del ritmo de crecimiento de la muestra y de un equipo de difracción de electrones por incidencia rasante (RHEED) para el control in-situ del proceso de crecimiento de las mismas. La calibración de la balanza de cuarzo se realiza por medio de difracción de rayos X a pequeño ángulo y microscopia de fuerzas atómicas. La técnica RHEED permite controlar el proceso de recocido de la superficie de la capa de cobre para reducir la rugosidad de la misma y obtener así una capa suave. Las principales resultados de este apartado son: Se han preparado multicapas del tipo [Cu/Ni]xN, con espesores de Ni de 3 nm y 4 nm, de Cu entre 0 nm y 6 nm y N hasta 5, en condiciones de vacío ultra alto (10-9 Torr) mediante evaporación del material por haz de electrones. Se ha observado una fuerte dependencia de la coercitividad Hc entre capas de níquel simples (Cu/Ni/Cu) y dobles (Cu/Ni/Cu/Ni/Cu), observándose que el valor de Hc disminuye en la estructura bicapa respecto al valor medido en la estructura monocapa en estructuras con bloques de Ni de espesores de 4 nm. Se ha propuesto un mecanismo de reducción de la coercitividad basado en la dificultad que tienen las dislocaciones de desacomodo de generarse en el segundo bloque de níquel. Así la densidad efectiva de centros de anclaje disminuye y por ende el campo coercitivo. Se ha estudiado la microstructura magnética mediante medidas de Microscopía de Fuerzas Magnéticas en multicapas de níquel. Se ha observado una disminución del tamaño de dominio, d, al aumentar N. Este hecho se ha explicado mediante un cálculo de la energía magnetostática ems en función de N. Se observa que al aumentar N, la energía del sistema disminuye grandemente al introducir dominios magnéticos, ya que el gasto energético que supone el aumento de paredes de dominio se compensa con la disminución de la energia magnetostática. Se ha observado cómo se genera la transición fcc to bcc al aumentar el espesor de Fe sobre la estructura Cu/Ni, con la particularidad de que en el caso de estructuras con espesores de la capa de hierro de unos 2 nm ambas fases cristalinas coexisten en el material. Para ello se han realizado un estudio estructural que incluye medidas de RHEED, TEM, XRR y XRD. La coexistencia de fases bcc y fcc se ve reflejada en el comportamiento magnético que muestra una disminución de la anisotropía magnética en esa estructura y la existencia de una microestructura con dominios de Fe con imanación en el plano y otros con la imanación perpendicular. La estructura con granos bcc y fcc se comporta como un composite con propiedades diferentes a aquellas conocidas en las fases que lo forman. Este caso podría ser el primer ejemplo de composite formado por estructuras cristalinas distintas de un único material. Anillos epitaxiales de Cu/Ni/Cu La observación de anisotropía transversal en nanohilos planos plantea la posibilidad de estudiar la presencia de esta propiedad en otras estructuras de interés como son los nanoanillos (coronas circulares con anchuras entre 80-200 nm y diámetros en el rango de 0.5 y 5 ¿m, de tal forma que la imanación podría orientarse en la dirección transversal al perímetro del anillo. Así, se ha estudiado la estructura de dominios en anillos magnéticos de Cu/Ni/Cu con distintos diámetros 1-3 ¿m y anchura entre 100 - 1200 nm sobre películas con espesores de níquel de unos 10-15 nm, que corresponde a los valores en los que hemos observado anisotropía transversal en redes de nanohilos planos. La tarea de fabricación de anillos requiere el uso de varias técnicas: fabricación de motivos sobre máscaras de polímeros mediante el depósito de películas de resina sobre la capa magnética, curado y exposición a haces de electrones, depósito de una capa de metal, revelado para la obtención de una máscara dura que proteja la zona de interés del posterior ataque con un haz de iones que elimina parte de la película en la que la resina ha sido eliminada durante el proceso de revelado. Esta etapa se ha realizado en las instalaciones del Laboratorio de Microscopias Avanzadas. La caracterización magnética se ha realizado mediante microscopia de fuerzas magnéticas con campo perpendicular, en el plano y cálculo numérico. Con ello se han determinado las estructuras de dominios y los procesos de imanación en los anillos magnéticos. A continuación se enumeran los resultados más relevantes del estudio de anillos epitaxiales de Cu/Ni/Cu: Los anillos fabricados sobre capas de Cu/Ni/Cu con espesores de níquel de 14 nm, diámetro de 3 ¿m y 2 ¿m y anchuras entre 100 nm y 400 nm presentan un estado magnético con la imanación en la dirección radial del anillo. Los anillos con diámetro 3 ¿m y anchura superior a 400 nm muestran dos zonas magnéticamente distintas: los bordes y la zona central del anillo. En la primera, la imanación está dirigida radialmente y, en la segunda, la microestructura magnética es semejante a la de la capa continua. Se han analizado cuantitativamente las anisotropías magnetoelástica, de forma y magnetocristalina, adaptándose las ecuaciones de la energía a la simetría cilíndrica del sistema. Se ha demostrado que la anisotropía magnetoelástica es la responsable de la anisotropía transversal. Se han realizado cálculos del estado de deformación de anillo Cu/Ni/Cu mediante elementos finitos. Los resultados muestran que la tensión radial es altamente inhomogénea, estando la capa de níquel mucho más relajada en los bordes del anillo que en el centro del mismo, mientras que la tensión tangencial es altamente homogénea y con un valor cercano al de la película. Esta variación se corresponde con la intensidad de la energía de anisotropía magnetoelástica y permite relacionar directamente la microestructuras magnética y estructural del anillo. Películas de Fe/Cu y Ni/Cu El níquel y el hierro tienen parámetros de red y estructuras cristalinas que favorecen su crecimiento epitaxial sobre monocristales de Cu (001). Ambos sistemas han venido siendo estudiados debido a su amplia variedad de propiedades y fases magnéticas, así como por la controversia científica que estas generan, ya que algunas de ellas aún no han podido ser explicadas en totalidad, y por ende, permanecen en discusión. Con el fin de llevar a cabo un estudio detallado de estas propiedades se han preparado y caracterizado in-situ capas de Fe y Ni sobre un monocristal Cu (001). Las medidas magnéticas se realizaron mediante la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido con Análisis de Polarización (SEMPA), que es capaz de detectar todas las componentes de polarización de espín en el plano del material con resoluciones laterales inferiores a 10nm. Este trabajo se realiza como fruto de una colaboración con el grupo del Profesor Hans Peter Oepen (Universidad de Hamburgo), que es un grupo pionero en el desarrollo de la técnica (SEMPA) y el estudio de la estructura magnética de sistemas epitaxiales. Así, se han preparado películas en forma de cuñas de Ni y Fe con espesores máximos de 20 nanómetros para estudiar la estructura de dominios debidos a la transición de espín en la que la imanación pasa de estar fuera del plano de la muestra a en el plano de la muestra. A continuación se enumeran los principales resultados obtenidos de este estudio. En las capas de hierro se ha observado que la reorientación de espín en la que la imanación pasa de estar perpendicular al plano a disponerse en el plano de la película ocurre con la presencia de la fase bcc. La estructura bcc del hierro presenta cuatro variantes en las que direcciones del hierro se alinean con direcciones del cobre. En esta estructura se aprecia que la dirección de fácil imanación está según la dirección del cobre y por ello coincide con direcciones o de las variantes del hierro. Se ha propuesto que la distorsión que experimentan las variantes de hierro genera una energía magnetoelástica capaz de producir una reorientación de espín, en el plano de la muestra, desde direcciones a . Se ha observado que en el intervalo de capas de hierro de 1.7 ML a 2.3 ML la imanación se dispone en el plano de la capa, hecho que no se correspondió con resultados anteriores en cuanto a la anisotropía magnética, pero si en cuanto al intervalo en el que la temperatura de Curie del hierro es superior a la temperatura ambiente. En la cuña de níquel se han observado paredes de Néel y en forma de vórtices que se pueden explicar debido al pequeño número de capas del sistema y el sobrecoste energético que genera la formación de una pared de Bloch

Antiferromagnetic Spin Coupling between Rare Earth Adatoms and Iron Islands Probed by Spin-Polarized Tunneling

High-density magnetic storage or quantum computing could be achieved using small magnets with large magnetic anisotropy, a requirement that rare-earth iron alloys fulfill in bulk. This compelling property demands a thorough investigation of the magnetism in low dimensional rare-earth iron structures. Here, we report on the magnetic coupling between 4f single atoms and a 3d magnetic nanoisland. Thulium and lutetium adatoms deposited on iron monolayer islands pseudomorphically grown on W(110) have been investigated at low temperature with scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The spin-polarized current indicates that both kind of adatoms have in-plane magnetic moments, which couple antiferromagnetically with their underlying iron islands. Our first-principles calculations explain the observed behavior, predicting an antiparallel coupling of the induced 5d electrons magnetic moment of the lanthanides with the 3d magnetic moment of iron, as well as their in-plane orientation, and pointing to a non-contribution of 4f electrons to the spin-polarized tunneling processes in rare earths

Magnetocaloric effect in random magnetic anisotropy materials

In this letter we report the results of entropy variations in random anisotropy magnets composed of TbxY1−xAl2, with x=0.15, 0.20, 0.25, 0.35, 0.40, and 0.50. We discovered large entropy variation associated with the spin glass to paramagnetictransition. Both temperature transition and entropy changes were studied at different temperatures and with different compositions. Our conclusion is that these materials are suitable candidates for use as magnetic refrigerants in a temperature range below 40 K

Magnetocaloric effect in random magnetic anisotropy materials

In this letter we report the results of entropy variations in random anisotropy magnets composed of TbxY1−xAl2, with x=0.15, 0.20, 0.25, 0.35, 0.40, and 0.50. We discovered large entropy variation associated with the spin glass to paramagnetictransition. Both temperature transition and entropy changes were studied at different temperatures and with different compositions. Our conclusion is that these materials are suitable candidates for use as magnetic refrigerants in a temperature range below 40 K