Orientador: Prof. Dr. Dante H. MoscaTese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Ciência dos Materiais - PIPE. Defesa: Curitiba, 29/06/2016Inclui referências : f. 130-138Resumo: Neste trabalho são descritos diversos tipos de análises morfológicas, composicionais, estruturais e magnéticas de filmes finos de espessura nanométrica de ligas Ni-Mn-Ga ferromagnéticas preparadas pela técnica de epitaxia de feixe molecular sobre substratos comerciais de GaAs(111)B e InAlAs/AlAs/GaAs(001), além de nanomembranas desses filmes obtidas por processos de microfabricação usando técnicas de litografia. As ligas Ni-Mn-Ga estudadas possuem estequiometrias onde as proporções Ni:Mn:Ga foram mantidas próximas de 2:1:1 e 1:1:1. A Análise composicional dos filmes finos e o monitoramento da evolução da morfologia foi realizada in situ por espectroscopia de fotoelétrons e de difração de elétrons de alta energia refletidos, respectivamente. Em casos específicos a análise composicional foi realizada ex situ. A investigação da estrutura cristalina foi realizada ex situ por difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão. A morfologia dos filmes foi estudada por microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de varredura. Sobre os substratos de GaAs(111) foram estudados filmes finos com três estequiometrias. A primeira delas é a liga (????,????)2???? com espessura estimada em 10 nm. Esses filmes apresentam estrutura cristalina hexagonal com razão ??/?? = 1,27. As relações de epitaxia entre a liga e o GaA (111) encontradas no plano e fora do plano dos filmes foram (1¯10)(????,????)2???? (1¯10) ???????? e (0002)(????,????)2????(0002)????????. A temperatura ambiente, os filmes são ferromagnéticos com alta anisotropia de magnetização de saturação???? abaixo de 50 K. A segunda composição sobre GaAs(111) é a liga ????1,92????1,16????0,92, que apresenta estrutura cristalina cúbica com parâmetro de rede ??=5,88 Å e são altamente texturizada na direção [110], satisfazendo assim a relação (110)????1,92????1,16????0,92//(110)????????. Esses filmes finos são ferromagnéticos a temperatura ambiente com ???? ? 450?? e transformação martensítica ???? ? 180??, sendo também observada anomalia na magnetização nas medidas MxT o que sugere a transformação pré-martensítica com ???? ? 285??. Filmes finos da liga ????2.8????0.6????.6 com 40 nm foram crescidos sobre GaAs (111) e GaAs (001). Esses filmes apresentam estrutura cristalina tetragonal e caráter policristalino com razão ??/?? igual a 1,90 e 2,01 para os substratos de GaAs (111) e GaAs (001), respectivamente. A temperatura ambiente os filmes finos apresentam fraco comportamento ferromagnético com temperatura de Curie ???? em torno de 320 K. Foi observado que a temperatura de transição martensítica ???? coincide com a temperatura de Curie e a anisotropia magnetocristalina é forte à 10 K. Os filmes crescidos sobre InAlAs/AlAs/GaAs(001) com 30 nm de espessura foram submetidos ao processo de litografia e remoção seletiva da camada de sacrifício de AlAs, obtendo-se assim membranas com espessura nanométrica que se enrolam conforme o grau de tensão mecânica residual, formando rolos com diâmetro de 5 ???? e comprimento de alguns milímetros (limitado apenas pelo tamanho da amostra). A caracterização estrutural por microscopia eletrônica de transmissão mostrou que após a formação das membranas ocorre a relaxação da estrutura cristalina ocasionando a diminuição dos parâmetros de rede. A caracterização magnética das nanomembranas mostrou que a anisotropia magnetocristalina, antes forte nos filmes finos, desaparece devido ao efeito de relaxação da tensão residual dos filmes. Além do interesse científico das propriedades e comportamentos físicos dessas ligas ferromagnéticas na escala nanométrica, os resultados obtidos estabelecem bases concretas para o desenvolvimento de nanodispositivos sensores e atuadores com funcionalidades termomagnéticas e magnetomecânicos com geometria bi e tridimensionalAbstract: In this thesis we studied thin films of Ni-Mn-Ga based alloys in three different compositions grown on GaAs(111) and InAlAs/AlAs/GaAs(001) substrates by molecular beam epitaxy. Moreover, rolled- up nanomembranes of Ni-Mn-Ga thin films were microfabricated on GaAs(001) using lithograph methods and subsequently released by etching. Standard ex situ investigations for both, thin films and rolled-up structures, were performed by X-ray diffraction, transmission electron microscopy, atomic force microscopy and vibrating sample magnetometer. In situ characterization was carried out by reflection high-energy electron diffraction during the substrate preparation and thin films growth and post-growth by X-ray photoelectron spectroscopy. The first alloy studied was (????,????)2????/GaAs(111) 10 nm film thickness. Structural characterization show hexagonal crystalline structure and ??/?? ratio of 1,27. Beside that, in-plane and out-of-plane epitaxial relationship are (1¯10)(????,????)2???? (1¯10) ???????? and (0002)(????,????)2????(0002)????????, respectively. Thin films are ferromagnetic at room temperature, exhibiting anomalous saturation magnetization below 50 K. Increasing Ni concentration, the second composition examined was ????1,9????1,2????0,9. Structural investigations show high (110)-textured thin films with martensite structure (??21) at room temperature and lattice constant ?? = 5.88 Å. In addition, epitaxial relationship out-of-plane it is (110)????1,9????1,2????0,9//(110)????????. Magnetic characterization shows weak magnetic behavior at room temperature and Curie temperature of 450 K, suggesting martensitic transformation at ?180 K, which were estimated from FC-ZFC magnetization. Ni rich ????2.8????0.6????.6 thin films were grown on GaAs(111) and GaAs(100) with thickness of 40 nm. X-ray diffraction and transmission electron microscopy revel polycrystalline thin films indicating ??/?? ratio of 1.90 and 2.01 for films grown on both substrates, e.g GaAs (111) and GaAs(001), respectively. At room temperature thin films exhibit weak hysteresis loops with Curie temperature of ?320 K. An interesting result is simultaneous occurrence of first-order martensite transformation and paramagnetic/ferromagnetic transition (?320 K). In the last chapter is shown the rolled-up structures prepared on InAlAs/AlAs/GaAs(001) from ferromagnetic thin films with 30 nm of thickness. Morphological analysis show rolled-up structures with a typical diameter of 5 ????. After roll-up compressive relaxation takes place decreasing the lattice parameters ?? and ??. Magnetic behavior it is drastically affected by crystalline structure evolution. The hysteresis loops in-plane fit with the out-of-plane loop showing low magnetocrystalline anisotropy after the nanomembranes roll-up into tubular geometry
