Thermal spin transport in maghemite-based thin film structures

Desde su nacimiento marcado por el descubrimiento de la magnetorresistencia gigante (GMR) en 1988, el campo de la espintrónica ha evolucionado rápidamente, madurando y dando lugar a nuevas subdisciplinas. El objetivo final de la espintrónica es el desarrollo de un nuevo paradigma con potencial para superar las limitaciones impuestas en la electrónica convencional por la ley de Moore. Este paradigma se basa en el uso del grado de libertad de espín, junto con la carga eléctrica. Una tecnología espintrónica requiere, para ser funcional, de la capacidad para controlar tres operaciones fundamentales: generación, transporte y detección del momento angular de espín. De esta manera, la dinámica de espín es el foco de una intensa investigación con el objeto de aumentar la eficiencia en estas operaciones. En concreto, las corrientes de espín son un objeto fundamental en el campo de la espintrónica. Mas aún, las corrientes puras de espín, que no van acompañadas por una corriente de carga, permiten la propagación de espín sin pérdidas por disipación Joule. En este sentido, las corrientes puras de espín portadas por excitaciones magnéticas colectivas (magnones) brindan la posibilidad de una espintrónica basada en aislantes usando materiales eléctricamente aislantes con orden magnético de largo alcance (MOIs).Esta tesis se ha dedicado al estudio del transporte térmico de espín, es decir, a la interacción entre corrientes de espín y de calor, que constituye el área de investigación de la subdisciplina (dentro de la espintrónica) de la caloritrónica de espín o termoespintrónica. Se prevé que este campo contribuya significativamente al desarrollo de una nueva generación de dispositivos termoeléctricos altamente eficientes. Para ello, todavía es necesario profundizar más en la comprensión de los mecanismos fundamentales que gobiernan el transporte térmico de espín. A través del trabajo desarrollado en esta tesis, se ha estudiado de manera exhaustiva el efecto Seebeck de espín (SSE) en nanoestructuras de baja dimensionalidad basadas en maghemita (gamma-Fe2O3). El SSE es uno de los fenómenos de transporte más destacados en el campo de la caloritrónica de espín, puesto que permite la generación directa de una corriente de espín magnónica al aplicar un gradiente térmico en materiales magnéticos. El SSE se observa en bicapas FM/NM, donde FM es un material con orden magnético de largo alcance y NM es un metal paramagnético o diamagnético (habitualmente, Pt).En general, las estrategias que pretendan mejorar la eficiencia del SSE pueden dirigirse a tres niveles: (1) conversión de corriente de calor en corriente de espín en la capa FM; (2) al nivel interfacial, que comprende tanto la conversión de corriente de calor en corriente de espín a este nivel como la transferencia de espín desde lacapa FM hacia la capa NM; y (3) la detección de la corriente de espín en la capa NM. Este último paso se realiza habitualmente mediante la conversión de corriente de espín en corriente de carga a través del efecto Hall de espín inverso facilitado por el acoplamiento espín-órbita (SOC).La primera parte de esta tesis se centra en el desarrollo de materiales de interés dentro de este tópico en forma de películas delgadas. En particular, se investiga la preparación de películas delgadas de alta calidad de maghemita de y óxido de iridio (IV) (IrO2). Además, se aborda también la fabricación de Y3Fe5O12 (YIG) mediante un método químico rápido y económico. La maghemita y el YIG constituyen ejemplos de MOIs que ya han sido aplicados exitosamente en otros campos. Por su parte, el IrO2 es un material NM con elevado SOC y elevada resistividad eléctrica, propiedades que lo convierten en un candidato prometedor para la detección decorriente de espín mediante ISHE.A continuación, se investiga extensamente el SSE en bicapas gamma-Fe2O3/Pt de espesor nanométrico. Como resultado, se consigue elaborar una descripción precisa del SSE, que tiene en cuenta las dos contribuciones a la corriente espín térmica: la originada en la intercara FM/NM, y la originada en el espesor de gamma -Fe2O3 debido a la acumulación de magnones inducida térmicamente. Para ello, se analiza la influencia de diferentes parámetros de transporte. Además, se implementa un segundo método de medida del SSE en condiciones de calentamiento estable. Este método alternativo se basa en el enfoque del calentamiento inducido por corriente, en el que el material NM cumple una función triple: calentamiento, termometría y conversión de corriente de espín en corriente de carga. Por último, se analiza la equivalencia experimental entre los dos métodos. Además, el método de inducción por corriente permite la detección simultánea de la recientemente descubierta magnetorresistenciaHall (SMR), que es asimismo caracterizada en las bicapas gamma-Fe2O3/Pt.En segundo lugar, se investiga la dinámica ultrarrápida del SSE de intercara por medio de la técnica óptica de Espectroscopía de Emisión de Terahercios (TES). En este caso, se emplean tres estructuras FM/NM usando para la capa FM materiales con diferente grado de conductividad eléctrica: maghemita (aislante), magnetita (mediometal) y hierro (metal). La comparación entre las corrientes de espín térmicas fotoinducidas en cada muestra permite la caracterización de la escala temporal en las que estas corrientes se originan y decaen. Basándose en sus diferentes dinámicas, el SSE y la versión dependiente de espín del efecto Seebeck termoeléctrico (efecto Seebeck dependiente de espín, SDSE) se pueden distinguir y separar, dentro de unmismo experimento. La corriente térmica de espín asociada al SDSE es portada por electrones, a diferencia de las corrientes de espín excitadas mediante SSE, que son portadas por magnones. Por lo tanto, el SDSE solo se da en materiales conductores. Por último, la tesis aborda el tercer nivel del SSE —la detección de la corriente de espín en la capa NM— usando IrO2 para la capa NM en bicapas gamma-Fe2O3/IrO2. Hasta la fecha, sólo se han reportado unos pocos trabajos experimentales que estudian la conversión de espín a carga en IrO2 policristalino o amorfo. Las muestras de IrO2 estudiadas en esta tesis, por el contrario, presentan una estructura cristalina fuertemente texturada en una dirección preferencial; en la presente tesis se investiga por tanto el papel de los diferentes mecanismos originados por el SOC y que contribuyen al ISHE en este tipo de muestras. Además, se analizan las llamativas diferencias encontradas en los procesos de conversión de corriente de espín en corriente de carga encontradas en las muestras texturadas con respecto a resultados previos en IrO2 policristalino o amorfo publicados en la literatura. Estas diferencias abren la puerta a la interesante posibilidad de controlar la funcionalidadde dispositivos basados en el efecto Hall de espín en materiales altamente resistivos.<br /

Efecto Seebeck de espín en ferrimagnéticos aislantes

Los fenómenos termoeléctrios convencionales surgen del acoplamiento entre corrientes eléctricas y corrientes de calor. Las corrientes de calor pueden interaccionar asimismo con el grado de libertad de espín; el estudio de los fenómenos involucrados ha dado lugar en la última década al campo de la ¨termoespintrónica¨. En esta memoria se reseña la preparación y caracterización de películas delgadas aislantes ferrimagnéticas y el estudio de los efectos Nernst Anómalo (ANE) y efecto Seebeck de espín (SSE) en ellas, obteniendo como resultado el valor del coeficiente Seebeck de espín para diversas temperaturas. Las películas crecidas por PLD a partir de un blanco de Fe3O4 han sido sometidas a un proceso de recocido para obtener gamma-Fe2O3. Como resultado de esto, se han obtenido películas aislantes adecuadas para la medida de SSE. Ha sido asimismo depositar una película de platino de pocos nanómetros de espesor para detectar las corrientes de espín mediante el efecto espín-Hall inverso

Optimization of YIG/Bi stacks for spin-to-charge conversion and influence of aging

We show that an optimized growth of magnetic layer/non-magnetic layer stacks allows for the improvement of the spin-to-charge conversion efficiency. From the analysis of the voltage signal generated in spin pumping experiments due to the inverse spin Hall effect (ISHE) on Y3Fe5O12 (YIG)/Bi stacks, we have determined values for the spin Hall angle and the spin-diffusion length in Bi of 0.0068(8) and 17.8(9) nm, respectively. Based on these results, we have also studied the influence of aging on the spin-to-charge conversion efficiency by performing spin pumping experiments on YIG/Bi stacks after exposing the samples to ambient conditions for several days and up to 150 days. We have found that in YIG/Bi samples with Bi thicknesses around or below the spin-diffusion length, the ISHE voltage signal is still above 80% of its initial value after 100 days

Engineering the spin conversion in graphene monolayer epitaxial structures

Spin Hall and Rashba-Edelstein effects, which are spin-to-charge conversion phenomena due to spin-orbit coupling (SOC), are attracting increasing interest as pathways to manage rapidly and at low consumption cost the storage and processing of a large amount of data in spintronic devices as well as more efficient energy harvesting by spin-caloritronics devices. Materials with large SOC, such as heavy metals (HMs), are traditionally employed to get large spin-to-charge conversion. More recently, the use of graphene (gr) in proximity with large SOC layers has been proposed as an efficient and tunable spin transport channel. Here, we explore the role of a graphene monolayer between Co and a HM and its interfacial spin transport properties by means of thermo-spin measurements. The gr/HM (Pt and Ta) stacks have been prepared on epitaxial Ir(111)/Co(111) structures grown on sapphire crystals, in which the spin detector (i.e., top HM) and the spin injector (i.e., Co) are all grown in situ under controlled conditions and present clean and sharp interfaces. We find that a gr monolayer retains the spin current injected into the HM from the bottom Co layer. This has been observed by detecting a net reduction in the sum of the spin Seebeck and interfacial contributions due to the presence of gr and independent from the spin Hall angle sign of the HM used

Jardins per a la salut

Facultat de Farmàcia, Universitat de Barcelona. Ensenyament: Grau de Farmàcia. Assignatura: Botànica farmacèutica. Curs: 2014-2015. Coordinadors: Joan Simon, Cèsar Blanché i Maria Bosch.Els materials que aquí es presenten són el recull de les fitxes botàniques de 128 espècies presents en el Jardí Ferran Soldevila de l’Edifici Històric de la UB. Els treballs han estat realitzats manera individual per part dels estudiants dels grups M-3 i T-1 de l’assignatura Botànica Farmacèutica durant els mesos de febrer a maig del curs 2014-15 com a resultat final del Projecte d’Innovació Docent «Jardins per a la salut: aprenentatge servei a Botànica farmacèutica» (codi 2014PID-UB/054). Tots els treballs s’han dut a terme a través de la plataforma de GoogleDocs i han estat tutoritzats pels professors de l’assignatura. L’objectiu principal de l’activitat ha estat fomentar l’aprenentatge autònom i col·laboratiu en Botànica farmacèutica. També s’ha pretès motivar els estudiants a través del retorn de part del seu esforç a la societat a través d’una experiència d’Aprenentatge-Servei, deixant disponible finalment el treball dels estudiants per a poder ser consultable a través d’una Web pública amb la possibilitat de poder-ho fer in-situ en el propi jardí mitjançant codis QR amb un smartphone

Propuestas didácticas para la educación de adultos

Este trabajo se centra en la Educación Secundaria para adultos. En él se recoge una introducción al tema dentro del contexto del Máster de Profesorado de E.S.O., Bachillerato, F.P, y Enseñanzas de Idiomas, Artísticas y Deportivas, especialidad Física y Química, así como dos propuestas didácticas elaboradas a lo largo del desarrollo del mismo. Estas propuestas son presentadas, sujetas a reflexión y analizadas desde la perspectiva adquirida una vez finalizado del Máster

Characterization of spin current to charge current conversion via ISHE effect by Spin Pumping in YIG/Bi bilayers

Resumen del póster presentado al 10th International Symposium on Metallic Multilayers (MML), celebrado en Madrid (España) del 17 al 21 de junio de 2019.Spin Pumping technics have been used here in a YIG//Bi bilayer structure to generate a pure spin current flowing within the Bi metallic layer, in order to measure spin to charge conversion parameters. This spin to charge conversion, is observed in the metallic (Bi) layer as a result of the Inverse Spin Hall Effect (ISHE), widely documented in literature. After setting up an external static magnetic field, Ferromagnetic Resonance (FMR) h as been excited within the magnetic layer (YIG) of the samples, using a broadband shorted microstrip RF setup. A pure spin current is obtained in the Bi metallic layer, where Spin Orbit Interaction (SOI) gives rise to a selective scattering, resulting in perpendicular charge current, which has been measured, directly, or via the voltage induced by this current on the sample edges. YIG magnetic insulator layer in place of a conducting one has been chosen to avoid superposition of unwanted electric signals under resonance condition as done in ref [3]. The dependences of the measured ISHE Voltage with frequency, metallic layer thickness, static magnetic field angle and radiofrequency power have been measured and analysed. Results were compared with those obtained in references (where a conducting magnetic layer was used), (where Platinum was used as metallic layer in place of Bismuth) and (where the same bilayer nanostructure YIG//Bi was analysed in a RF monofrequency cavity setup) Finally, the evolution of the ISHE voltage with ageing of the samples has been observed and systematically investigated.Peer reviewe

Magnetic resonance and structural properties of high quality yttrium iron garnet (YIG) thin films deposited by a Chemical solution synthesis

Resumen del trabajo presentado al 14th International Workshop on Magnetism & Superconductivity at the Nanoscale, celebrado en Coma-Ruga, El Vendrell (España) del 1 al 6 de julio de 2018.In this work we show the fabrication of epitaxial Y3Fe5O12 (YIG) thin films on Gd3Ga5O12 (111) (GGG) substrates by means of Polymer Assisted Deposition (PAD). Cubic YIG is a well known and characterized ferrimagnetic material at room temperature, with excellent magneto-optical properties, high electrical resistivity, and a very narrow ferromagnetic resonance, which makes it particularly suitable for applications in filters and resonators at microwave frequencies such us in potential devices based on spintronics, magnonics and spin caloritronics. In the case of YIG, the Fe3+ sublattices order antiferromagnetically, with nonmagneticY3+ ions located at the dodecahedral sites. Therefore, it is the uncompensated Fe3+ at a tetrahedral site which is responsible for the ferrimagnetic state at room temperature, up to a Curie temperature ∼560K. Thus, it is upon the precise stoichiometry and distribution of Fe3+ ions among the octahedral/tetrahedral sites of this complex structure, where relies the emergence of all these interesting properties, which to date has normally hampered the production of high-quality YIG thin films by affordable chemical methods. The standard method for YIG single-crystal fabrication, liquid phase epitaxy, and other bulk synthetic are not suitable methods to fabricate samples down to the nanometer range. Even when this problem has been overcome by using physical techniques such as pulsed laser deposition or sputtering, chemical solution deposition offers important advantages regarding affordability and scalability for thin-film fabrication. Here we report the chemical solution synthesis of YIG thin films, with excellent chemical, crystalline, and magnetic homogeneity. The films show a very narrow ferromagnetic resonance (long spin relaxation time), comparable to that obtained from high vacuum physical deposition methods. These results demonstrate that chemical methods can compete to develop nanometer-thick YIG films with the quality required for spintronic based devices and other high-frequency applications.Peer reviewe