On holes and walls: tailoring the magnetic properties of thin films through 2d nanopatterning
- Autores: Celia Castán Guerrero
- Directores de la Tesis: Luis Miguel García de Vinuesa (dir. tes.), Javier Sesé Monclús (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Bartolomé Sanjoaquín (presid.), José Ignacio Martín Carbajo (secret.), Paolo Vavassori (voc.)
- Materias:
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- Resumen
La posibilidad de llevar a cabo esta tesis surge de la combinación de dos factores: el primero es una tesis doctoral previa en la que se estudiaron las propiedades magnéticas de láminas delgadas con redes periódicas de agujeros micrométricos; el segundo, las nuevas infraestructuras de litografía que se pusieron en marcha en el Instituto Universitario de Investigación en Nanociencia de Aragón y que contaban con un equipo Dual Beam, que permite la fabricación de estructuras de tamaños nanométricos. El objetivo de la misma es el control de las propiedades magnéticas de láminas delgadas ferromagnéticas mediante la fabricación de redes de agujeros de tamaño nanométrico. La importancia de este trabajo reside tanto en la comprensión del magnetismo en sistemas de dimensionalidad reducida como en una gran cantidad de aplicaciones: medios de grabación magnética, sensores, sistemas magnónicos, etc. La gran dependencia de los procesos de histéresis magnética en la microestructura y la presencia de defectos hace que este control sea difícil de lograr. Sin embargo, el rápido desarrollo de las técnicas de nanofabricación ha permitido nuevas aproximaciones a este problema, basadas en la modificación de la distribución local de la imanación de forma controlada. En concreto, a lo largo de esta tesis nos hemos centrado en la fabricación de redes periódicas de agujeros nano- y submicrométricos, que actúan como defectos en el material de forma controlada.
El trabajo realizado se divide en dos líneas de investigación. Primero se ha realizado un estudio del control de la estructura de dominios magnéticos y el campo coercitivo en función de la separación entre agujeros. La segunda línea se ha centrado en el movimiento asimétrico de las paredes de los dominios magnéticos a través de la inclusión de agujeros de forma triangular.
Para la primera parte se han fabricado redes cuadradas de agujeros circulares de unos 60-200 nm de diámetro, separados entre 100 nm y 2 um. El estudio se ha llevado a cabo en láminas de 10 nm de espesor de dos materiales distintos: cobalto y permalloy (20% Fe, 80% Ni). Se define el parámetro l como la separación borde a borde, esto es, l = p - d, donde d es el diámetro de los agujeros y p es el periodo de la red. Se ha encontrado la dependencia esperada del campo coercitivo con l para valores de l >> 0. En este régimen, el campo coercitivo aumenta de forma proporcional a la inversa de l, siguiendo la misma ley empírica que se ha publicado previamente en un gran número de trabajos.
Fabricando agujeros con p < d, es decir, l < 0, se ha llegado al régimen de dot, en el que los agujeros intersectan entre sí, dejando entre ellos una red de "dots" aislados de material magnético con forma de astroide. Se ha encontrado en el paso a este régimen un cambio brusco en la dependencia del campo coercitivo con la geometría. Antes de llegar a esta situación, se ha encontrado un régimen intermedio, en el que l es positivo (es decir, los agujeros no llegan a intersectar entre sí), pero menor que la anchura de las paredes de dominios. En tal caso el sistema se corresponde morfológicamente a una lámina continua con agujeros, aunque magnéticamente se comporta como una red de bits aislados.
En la segunda parte de este proyecto, el material utilizado para las láminas delgadas es una aleación de cobalto y silicio, amorfa y con anisotropía uniaxial en el plano. En estas láminas se han fabricado redes cuadradas de agujeros con forma triangular de 500 nm y 1 um de lado. El principal resultado ha sido la observación de efecto ratchet, o de movimiento asimétrico de las paredes de los dominios magnéticos. A este respecto se ha conseguido fabricar sistemas en los que las paredes de dominios siempre son paralelas al eje fácil de imanación, que coincide con la base de los triángulos, y se propagan en la dirección perpendicular. Debido al efecto ratchet se observa que las paredes se propagan solamente en el sentido en el que apuntan los triángulos, y no en el contrario. Esto se había observado previamente para triángulos de 20 um de lado. Sin embargo, al reducir el tamaño del agujeros a un valor cercano al de la anchura de las paredes de dominios, se han observado discrepancias con el modelo teórico utilizado, que supone paredes de espesor nulo.
En resumen, a lo largo de esta tesis se ha logrado alcanzar el control de dos de las propiedades magnéticas más importantes en láminas delgadas, a saber, el campo coercitivo, la estructura de dominios y el movimiento de sus paredes, mediante la inclusión de redes periódicas de agujeros, y únicamente en función de su geometría.
