Estudio de películas de CoP y SmCo en sensores miniaturizados para aplicaciones espaciales

Esta tesis doctoral está centrada en el estudio, desarrollo y optimización de dos sensores de campo magnético para aplicaciones espaciales: un sensor de campo magnético tipo fluxgate, pensado principalmente para medidas en órbita del campo magnético, y un sensor de gradiente de campo magnético o gradiómetro con el objetivo de llevar a cabo medidas magnéticas de la superficie de Marte o de la Luna. Inicialmente este último está orientado a ser embarcado en alguna misión dirigida al planeta Marte, por lo que se le ha bautizado con el nombre de MANTIS (Martian Tele-Infrared Susceptometer). En el caso del sensor fluxgate, se estudiarán las propiedades magnéticas de su núcleo y se procederá a caracterizar el sensor resultante, mientras que en el caso del gradiómetro de campo magnético se tratará tanto el diseño como la caracterización de los diferentes prototipos fabricados. Ambos dispositivos de medida, aunque pensados para un objetivo común, como es el de medir el campo magnético o su gradiente, necesitan de materiales muy distintos para su funcionamiento. Tanto el sensor fluxgate, como el gradiómetro de campo magnético se componen, entre otras cosas, de un núcleo o cabeza sensora de un material magnético. Sin embargo, su funcionamiento hace que la naturaleza de dichos núcleos sea magnéticamente muy diferente. El núcleo del sensor fluxgate está formado por CoP que es un material amorfo magnéticamente blando, lo que supone que su imanación cambia dependiendo del campo magnético al que se vea sometido. El gradiómetro MANTIS por otro lado, está provisto de una cabeza sensora compuesta de un imán comercial o de una película de un material magnético con su imanación claramente definida en una dirección y que no debe cambiar con el campo externo. El material utilizado en este bloque y en el que se ha centrado todo el trabajo realizado respecto al gradiómetro de campo magnético ha sido el SmCo. La razón de la elección de estos materiales, así como sus propiedades y resultados de su aplicación en los diferentes dispositivos, se explicará a lo largo de la memoria

Estudio de corrientes de espín en heteroestructuras híbridas ferromagnético/superconductor

En este trabajo se aborda el estudio de corrientes puras de espín de magnones a través de una heteroestrcutra formada por un material ferromagnético y un superconductor. El material magnético actuará como inyector de corriente de espín a través de la intercara del superconductor. Estas corrientes de espín se excitaran en el material magnético por efecto Seebeck de espín (SSE)Se optimizará el crecimiento por PLD de ambos materiales y, una vez hecho esto, se optimizará también la fabricación de estas bicapas. Cuando se consigan unas estructuras que mantengan las propiedades magnéticas del YIG (ferrimagnético) y superconductoras del YBCO, se procederá a detectar estas corrientes de espín depositando en la superficie un material de alto espín órbita como es el platino. Al bajar la temperatura hasta que el YBCO entre en estado superconductor, se espera observar un cambio en en comportamiento de la propagación de estas corrientes generadas con efecto SSE. <br /

Fabricación de heteroestructuras híbridas ferromagnético/superconductor para propagación y detección de corrientes de espín

En este trabajo se han diseñado unas películas delgadas multicapa consistentes en una capa de material ferromagnético (YIG) y otro superconductor (YBCO). Tras la caracterización de las monocapas y bicapas estructural, electrica y magneticamente, se ha llevado a cabo un estudio de la señal de corrientes de espín excitas por efecto Seebeck de espín. Para la detección se ha utilizado el efecto hall de espin inverso en una película delgada de Pt de 7 nm de espesor. Los resultados han sido prometedores, al haberse comprobado la influencia del superconductor en la propagación de las corrientes de espín en el material magnético.<br /

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 /

ESTUDIO DEL MOVIMIENTO DE VÓRTICES EN NANOESTRUCTURAS SUPERCONDUCTORAS

En este trabajo se estudia la dinámica de vórtices como responsable del comportamiento magnetorresistivo de muestras superconductoras nanoestructuradas. La realización y caracterización de dichas muestras también forma parte de los objetivos del trabajo.A su vez, se desarrolla un estudio bibliográfico para buscar modelos teóricos existentes en la literatura científica que apoyen la fenomenología observada en el laboratorio.<br /

Fenómenos de cuantización de flujo en hilos superconductores de alta temperatura

En este Trabajo Fin de Grado se ha realizado un estudio experimental de la magnetorresistencia de hilos superconductores de YBaCuO. A partir de estudios microestructurales de las muestras correlacionados con los resultados de magnetorresistencia se puede deducir que se ha observado la indicación de entrada de cuantos de flujo en las muestras estudiadas. Esto queda reflejado en el comportamiento anómalo del voltaje medido a temperaturas próximas a la de transición superconductor/normal.<br /

Fabricación de películas delgadas superconductoras de YBa2Cu3O7 mediante un método químico de disolución

El propósito de este trabajo era la fabricación y caracterización de películas delgadas de material superconductor (YBaCuO) mediante un método químico de deposición asistida por polímeros (PAD). Se pretendían encontrar los parámetros y las condiciones idóneas de las diferentes etapas de todo el proceso de fabricación, de tal manera que el material crecido tuviera unas propiedades óptimas y fuera escalable a nivel industrial. Las posibles aplicaciones de la superconductividad a nivel industrial son muy variadas; barriendo sectores desde el transporte y almacenamiento de energía eléctrica hasta la microelectrónica.Se han preparado diversas soluciones mediante técnicas químicas para la síntesis de películas delgadas; se han empleado también diversas técnicas físicas para la caracterización estructural mediante rayos X y de composición mediante microscopia electrónica de barrido (SEM), así como su caracterización eléctrica en un magnetorresistómetro de las películas superconductoras de YBaCuO. <br /

Estudio del movimiento de vórtices en microhilos superconductores de alta temperatura crítica

El propósito de este trabajo era la fabricación y caracterización de hilos superconductores para el estudio de propiedades de magnetorresistencia en los mismos. Los fenómenos asociados (física de vórtices) son complejos, por lo que la simplicidad de la geometría resulta esencial. Se han empleado diversas técnicas físicas para la fabricación de las películas delgadas mediante la deposición de material por láser pulsado, la caracterización de la microestructura por rayos X y la obtención de hilos superconductores de YBaCuO por litografía óptica y ''ion milling''

NANOFABRICACIÓN Y PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE HILOS SUPERCONDUCTORES DE ALTA TEMPERATURA CRÍTICA

En esta memoria se aborda el problema del transporte de corriente en superconductores de tipo II, en función de la orientación y módulo del campo magnético aplicado. Para ello: (i) se han obtenido hilos superconductores utlizando técnicas de fabricación de películas delgadas (PLD) y su posterior litografiado, y (ii) mediante las hipótesis simplificadoras que permite la geometría filamentar, se han analizado varios experimentos de resistividad en función de la temperatura y el campo magnético, realizados con tal propósito. En contraste con la literatura científica disponible, nuestras mediciones plantean dudas acerca de la validez de los modelos teóricos existentes

Difusión térmica de magnones en materiales magnéticos aislantes

La espintrónica es un campo de investigación novedoso en el que se manipula tanto el transporte de carga como el espín de los materiales. Uno de los efectos que se estudian dentro de este campo es el efecto Seebeck de espín. El presente trabajo caracteriza este efecto en un determinado material aislante magnético (YIG). Se han utilizado técnicas de crecimiento como PLD o Sputtering, técnicas de caracterización estructural como difracción y reflectividad de rayos X y técnicas de caracterización magnética como VSM para la fabricación de las muestras. Posteriormente se ha medido el efecto Seebeck de espín en ellas obteniendo un parámetro característico denominado coeficiente Seebeck de espín. Por último, se ha relacionado este parámetro con la longitud de difusión de magnones característica del material