UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Departamento de Física de Materiales TESIS DOCTORAL Sistemas magnéticos artificiales obtenidos mediante pulverización catódica: películas delgadas amorfas de TbFe y multicapas de Ni/CO TESIS DOCTORAL MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR PRESENTADA POR Celso Prados Espasandín Director: Antonio Hernando Grande Madrid, 2002 ISBN: 978-84-669-0455-1 © Celso Prados Espasandín, 1995 2v. 513 UNivEAsfflAD COMPLUTENSEDE MADRID FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO DEFISICA DE MATERIALES INSTITUTO DE MAGNETISMOAPLICADO LABORATORIO SALVADOR VELAYOS *53095371461’ UNIVERSIDAD COMPLUTENSE SistemasMagnéticosArtificiales obtenidosmediantePulverizaciónCatódica: PelículasDelgadasAmorfasdeTbFey MulticapasdeNi/Co memoria presentada par CelsoPradosEspasandin para optar al grado de Doctor en CienciasFísicas por ¡a UniversidadComplutensede Madrid Madrid,octubrede 1995 Larealizaciónde estamemoriahasidoposiblegraciasa la colaboracióny estimulode muchaspersonas.A todasellasquisieraagradecercon estas palabrassuapoyoincondicional. Enprimer lugar deseoagradeceral ProfesorD. AntonioHernandoGrande, directorde estetrabajo, el habermeintegradoen sugrupoinvestigadorenel InstitutodeMagnetismoAplicado,y susesfuerzospor intentar transmitirmesus conocimientosy entusiasmoporel trabajocient(/ico.En estosañoshasupuesto muchomásqueundirector de tesis. A los DoctoresD. ManuelVázquezy D. GuillermoRivero,porsu valiosas enseñanzasy sugerencias. AlDoctorD. -x Chen,al quedeboun buen“tanto por ciento” demiformacion. A los DoctoresJ. E. Evetts,A. L. Greer, J Leakey R. E. Somekhporsuacogida y orientacióndurantemi estanciaenelDepartamentode CienciadeMateriales de la Universidadde Cambridge.Quieroincluir tambienaquími agradecimientoa la DoctoraJunHuang AlDoctorCarlosPrietoporsusmedidasde espectroscopiaEXAFSen las películasde TbFe. Unamenciónmuyespeciala todoslos doctores,becariosypersonal administrativocon los quehe compartidotantosbuenosmomentosdurante estosañosen el Institutode MagnetismoAplicado.Mi intenciónerahaber particularizadomi agradecimientoencadaunodeellos,perosunúmeroy la cantidadde recuerdosimborrablesquehan dejadoenmi memoria,haceque estatarearesulteimposible. Por últimoal Ministerio de Educacióny Ciencia,por la concesiónde la becade Formaciónde PersonalInvestigador,a RENFEpor la becaquemeconcedióen los primerosmesesdespuésde mi licenciatura,asícomoa todaslas Instituciones,tantopúblicascomoprivadas,que consuapoyoy confianza colaboranenelfuncionamientodelInstitutodeMagnetismoAplicado,y que en granmedidahanposibilitadola realizaciónde estetrabajo u u u u u u u u u U Amispadres u u E u u u u u u E u Contenido 1 Introducción 1.1 Objetivosy planteamientos 1.2 Aleacionesde tierra rara-metalde transicióny grabaciónmagneto-óptica 1.2.1 Estructurade un discomagneto-óptico 1.2.2 Principiosde la grabaciónMO 1.2.3 ¿Porqué seutilizan compuestosde IR-MT. 1.3 Modificacionesde las propiedadesmagnéticasde materialesheterogéneos 1.4 Magnetorresistenciaanisótropa Bibliografía 1 3 3 3 5 6 7 12 2 TécnicasExperimentales 2.1 PulverizaciónCatódica 2. 1.1 Técnicasde deposiciónde películasdelgadas 2.1.2 Descripcióngeneralde la técnicade deposición catódica 2.1.3 Mecanismofisico de la pulverización 2.1.4 Característicasdelflujo de partículaspulverizadas 2.1.5 Técnicasde pulverización 2.1.6 Obtenciónde compuestosy multicapas 2.2 Magnetómetrode MuestraVibrante(VSM) 2.2.1 Operacióna temperaturassuperioresa la ambiente 2.3 Difracción de rayosX 2.3.1 Difracciónde rayosX enmulticapas 2.4 Dependenciacon la tensiónde la susceptibilidadinicial 2.5 MicroscopiaElectrónicade Barrido(SEM) . 2.6 EXAFS Bibliografía 13 13 13 14 16 17 18 26 27 30 32 35 36 37 38 40 3 PelículasdelgadasamorfasdeTb1Fe100..1 3.0 Introducción 3.1 Preparacióny tratamientode las muestras 3.2 Caracterizaciónestructural 3.2.1 Difracción de rayosX 3.2.2EXAFS 3.3 CaracterizaciónMagnética 3.3.1 Ciclo de histéresis 3.4 CaracterizaciónMagnetoeléstica 3.4.1 Susceptibilidadinicial 3.4.2 AnisotrofaMagnética 3.4.3 Magnetostricción 3.5 Modelo de cargaspuntualesy modelometálico. 3.5.1 AnisotropíaPerpendicular 3.5.2MagnetostricciónPositiva 3.5.3 EXAFS yAmsotropía 3.5.4Relajacióny modelo de cargaspuntuales Bibliografía 42 42 44 47 47 48 52 52 58 58 62 63 65 66 70 72 74 76 4 MulticapasdeNi/Co 4.0 Introducción 4. 1 Preparaciónde las muestras 4.2 Caracterizaciónestructural 4.2.1 Difracción de rayosX 4.3 Caracterizaciónmagnética 4.3.1 Comportamientomagnéticoa altastemperaturas 4.3.1.1 Imanaciónde saturacióna alta temperatura 4.3.1.2Campocoercitivoa alta temperatura 4.4 Magnetorresistencia 4.4.1 Ciclosde histéresis 4.4.2 Dispositivode medidade magnetorresistencia 4.4.3 Medidade magnetorresistencia 4.4.4 Modelo de cuatroresistencias 4.4.4 Sensordel campomagnético Bibliografía 5 Conclusionesy futurostrabajos 5.1 Películasdelgadasamoflasde TbFe 5.2 Propiedadesmagnéticasdel Ni en sistemasheterogéneos Ni/Co yNi/Ag 5.3 MagnetorresistenciaAnisótropaen multicapasNi/Co 5.4 Futurostrabajos 78 78 78 80 80 87 87 88 98 102 102 103 105 109 116 119 121 121 122 123 124 Apéndice: Anisotropíalocal y magnetostricción 126 A.0 Introducción 126 A. 1 Ejesde simetríauniaxiallocal alineados 128 A.2 Ejesde simetríauniaxiallocal confluctuaciónde orientación alrededordel ejeftcil macroscópico 128 1 Capítulo 1 Introducción Un hachafabricadacon silex, probablementeestan artWcial (etimológicamente, hacer con arte) como una película delgadade un material amorfo metálico ferroinagnético, o una multicapa de algunas millonésimas de milímetro de espesor.Sin embargo,en estosúltimos, el artenecesarioparahacerlos,suponela modificaciónde la estructuraíntima de la materia,medianteprocedimientosque distanmuchode sucederde formanatural. En las últimas décadas,el desarrollode los métodosde producciónde materiales ha servido de fUndamentopara una enormerevolución en la Física del Estado Sólido. Peroestaconmocióncientifica,no seha limitado al plano de los trabajos teóricoso meramenteexperimentales,sino queha alteradode maneradefinitiva la vida cotidiana de toda la Humanidad.Recordemoscómo el desarrollode la tecnologíaelectrónica,sobrela que seflindamentala revolución informáticay de las telecomunicacionesde finalesdel siglo XX, no habríasido posible sin que se consiguieraun control en la producciónde materialesy dispositivos, que casi alcanzala dimensiónatómica.El campode los MaterialesMagnéticos,no ha sido ni muchomenosajeno a estoscambios.La fabricaciónde aleacionesmetálicas amorfasy nanocristalinas,sólidos granulares,aleacionesmetaestables,películas delgadasultrafinasy multicapas,ha supuestoen muchoscasos,la necesidadde revisarconceptosquesesuponíanbien establecidos,y la apariciónde fenómenos fisicos queno seconocíanen los materialestradicionales. 1.1 Objetivosy planteamientos. En el presentetrabajo se estudianalgunasde las propiedadesmagnéticasde materiales fabricados mediante la técnica de pulverización catódica; fUndamentalmentesetratan tres temasgenéricosque se puedenconsiderarde gran actualidad: • La anisotropíaperpendicularen películasdelgadasde aleacionesamorfas de tierrasraras-metalesdetransición(IR-MT). • Modificación de propiedadesmagnéticasen materialesheterogéneos. u — Capítulo1. Introducción • Magnetorresistencia. En estecapítulode introducciónse describede forma generalel marcoen el que se situanlos fenómenosque se estudiana lo largo de la memoria.En el segundo capítulo se describenlas técnicasexperimentalesque se han utilizado en la realizaciónde los experimentos. El capítulo tercero se dedica al estudio de películasdelgadasde aleaciones amorfasde TbFe. Estos materialesexhiben,desdeel punto devista magnético, dos propiedadesinteresantesque han sido objeto de un gran esfUerzo investigador:magnetostricciángigante y anisotropíaperpendicular.La primera de ellastieneaplicacióninmediataen sistemassensoresy actuadores.En cuantoa la anisotropíaperpendicular,permiteusarestosmaterialescomo soporteen los sistemasde grabación magneto-óptica.Pero además,el origen fisico de la presenciade estaanisotropíaen unapelículadelgadaamorfade estetipo, no está aúnbienestablecido.A pesarde quelos resultadosmis recientesparecenindicar un origenestructural,la propianaturalezade estaanisotropíade la estructuray surelacióncon la magnéticasiguesiendomotivo de controversia.En estetrabajo se intentancorrelacionarresultadosestructurales,magnéticosy magnetoelásticos, obtenidosen un amplio rangode composiciones,con el fin de aflojar algode luz sobreestetema. En el capítulo cuartoseestudianmaterialesheterogéneosen forma de multicapa. En una primera parte se discuten las modificaciones de las propiedades magnéticasintrínsecasdelNi, cuandoformapartede un sistemaheterogéneoen compañíade un material magnético(Co) o no magnético(Ag). Además, se analizaen ambossistemasla evolucióncon la temperaturade una magnitudcomo el campocoercitivo. En la actualidad, los materialesmagnéticosde más baja coercitividad(nanocristalesricos en hierro) y los imanespermanentesde mayor productoenergético(aleacionesde NdFeB), son materialesheterogéneos.Estas propiedadessefUndamentan,en muchasocasionesen el tipo de interacciónentre las distintasfasesdel material. Por lo tanto, no esaventuradoasegurarque el conocimiento de los mecanismosde interacción entre distintas fases en los sistemasmagnéticosheterogéneos,es una de las piedras angularesde la investigaciónactualen el campode los MaterialesMagnéticos.En último término permite la posibilidad de diseño de materialescon propiedadesconcretas.Sin embargo,la complejidadestructuraly composicionalde estos sistemas,suele ocultar o desvirtuarel papel que juegan distintasmagnitudesfisicas. Así por ejemplo, en los materiales nanocristalinosobtenidosa partir de aleaciones amorfas,se observananomalíasen la evolución con la temperaturadel campo coercitivo,así como en la temperaturade Curie de la fase amorfaen la que se encuantranembebidoslos nanocristales.Varios mecanismosse han propuesto como responsablesde estos fenómenos: las interacciones dipolares entre cristalitos, y la penetraciónde la interacciónde canjeen la matriz amorfa son algunosde ellos. El estudiode talescomportamientosen sistemasmucho más sencillos, como multicapasde materialespuros,permitiría avanzarhaciael mejor conocimientode problemassemejantes. 2 u — Capitulo1. Introducción En la segundapartede estecapítulo,seestudiala magnetorresistenciaanisótropa a temperaturaambienteen multicapasde Ni/Co. Losvaloresque seobtienenpara los bajos camposmagnéticosrequeridos,puedenresultarinteresantesdesdeel punto de vista aplicado. Peroademás,seproponeuna disposiciónde campos, voltajes y corrientes, la cual saca provecho del caracteranisótropo de la magnetorresistenciay de sus valoresintrínsecoselevados,para dar factoresde magnetorresistenciaextraordinariamenteelevados.Porúltimo, y basadoen este efecto,se construyeun sencillo dispositivosensorde campomagnéticocon una de estasmuestrascomonúcleo. El capítulo quinto, recoje las principales conclusiones,así como los fUturos trabajosque sugieren. 1.2 Aleacionesde TR-MT y grabación magneto-óptica11]. Los discos magneto-ópticos(MO) re-escribiblesse usancorrientementeen sistemasde almacenamientode datos informáticos. Peroha sido el reciente lanzamientoen el mercadodela grabaciónacústicadelMini-Disc porpartede la compañíaSONY, lo que estáintroducientola tecnologíamagneto-ópticaen la vida cotidiana. 1.2.1 Estructurade un disco magneto-óptico En primerlugar constade un sustratode material orgánicode bajo costey fácil manufacturado(generalmentepolicarbonatos)con surcoscircularesquedelimitan laspistasen las que segrabala información.Sobreestematerial sedisponeuna estructuradecuatrocapas: - En la parte supenor,una lámina reflectorametálica (Cr, Al...), cuya fUnción esreflejarhaciaen interior del disco el calor, duranteel proceso de escritura,y la luz transmitida,duranteelprocesodelectura. - Debajo, sesituan doscapasprotectorasy amplificadorasde luz (Si3N4, AIN.j>, a ambosladosde una película delgadamagnética(la lámina de memoria)en la que quedangrabadoslos dominios magnéticoso bits. Hasta el momento presente,son aleacionesde tierra rara- metal de transiciónlas queseusanparaconstruirestasláminas. 1.2.2Principiosde la grabaciónMO. En la grabación magnética, la inversión local de la imanación se realiza a temperatura ambiente con la aplicación de campos magnéticos elevados (alrededorde cinco vecesel campo coercitivo, esto es, varios kOe) mediante cabezalesmagnéticosen contactocon el materialquesoportala grabación. En la grabacióntermo-magnéticao magneto-óptica,todo ésto se lleva a cabo cerca de la temperaturade Curie (bajo HJ, mediantela aplicación de bajos 3 u — Capítulo1. Introducción camposmagnéticos.El calentamientolocal seconsiguepormedio de un haz de rayoslaserenfocadosobreel materialde grabación,y que estáproducidoporuna cabezaópticalejosdelmaterialsoporte(1 mm). Escritura(Figura1.2). De maneramásprecisa,el medio magnéticorecibedurantemenosde 1 jis un pulso de luz laser que inmediatamentese convierte en calor. Localmente,la temperaturaalcanzael punto de Cuñe,y al mismo tiempo se aplicaun pequeño campomagnético(100 a 400 Oe) en el sentidocorrespondientea la señalque se graba:porejemplo,arribapara1, y abajopara0. La inversiónde la imanaciónse imcíade estemodo. En el momentoque seretira el pulso de laser, el materialse enfríay el campocoercitivoaumentarápidamente:la posiciónde las paredesse congelan,y el tamañodel dominio seestabilizaen un valor d, quevienedadopor la expresión[2] 4 AK~ , .u0M~H0 (1.1) En algunas aleacionesIR-MT, con campo coercitivo de hasta 10 kOe, se consiguendominiosde alrededorde loo Á. (Desafortunadamente,aquíempiezan ajugarun importantepapellos problemasópticosde difracción). Disco Señalparagrabar 01010 Pista Figura1.1 Procesodeescrituramagneto-óptica Lectura(Figura 1.2). Esteprocesosebasaen el polar: cuando una onda magnético,sedivide en dos efecto magneto-ópticoconocidocomo efecto Kerr linealmente polarizada interactua con un medio ondascirculares,a izquierday a derecha,queno ven Direcciónderotación deldisco 010 Nueva grabación Cabeza magnética Grabación previa Laser 4 u — Capitulo 1. Introducción el mismo índicede refracción.Por lo tanto, ambasno sepropagancon la misma velocidady sufren diferenteabsorción.El resultadode la reflexión esuna onda elípticamentepolarizada,con un desplazamientodel plano de polarizacióny una elipticidad que dependende la imanacióndel material. De estamanera,la luz reflejadaporel materialpresentaráun ángulode polarizaciónpositivoo negativo, de acuerdoconel sentidode la imanacióndecadadominio [3]. Así, el procesode lectura consisteen la deteccióny reconstrucciónen señaleseláctricasde estos cambiosdepolarización Secuencioleida (ángulodegiro dela polarización) +6 -¡-0 —6 6 Rotación 1 1 0 ~ Salida Deteccióndiferencial Figura1.2 Procesodelecturamagneto-óptica. 1.2.3¿Por qué seutilizan compuestosdeTR-MT? Las películas delgadas de IR-MT son los únicos materiales que presentan al mismo tiempo, alta anisotropíauniaxial con el eje perpendicularal plano de la películay estructuraamorfaferrimagnética: Alta anisotropía perpendicular Es necesariaesta propiedadpara conseguir que la imanación se alinee en direcciónperpendicularal plano de la película.Resultasorprendentela aparición de este fenómenoen una estructura amorfa. Al análisis del origen de esta anisotropíaperpendicularse dedica partede los trabajosque aparecenen esta memoria. Disco Señal recogida 5 Capítulo1. Introducción Estructura ferriniagnética Una segundapropiedad importanteque caracterizaestasaleacioneses que exhibenestructuraferrimagnética(con Gd, Tb, Dy, Ho...). Como consecuencia de estaestructuramagnética: - Existe una temperaturade compensación,que sepuedeelegir cercanaa la del ambiente,para la que imanaciónse anula.A estatemperaturael campocoercitivo(inversamenteproporcionala la imanacióntotal) esmuy alto y asegurael estabilizaciónde los dominiossegúnla expresión(1.1). - Baja imanaciónpor encima de la temperaturaambiente,lo que implica que el campodesimanadoresbajoy no alterala estructurade dominios. - Buencontrolde la temperaturade Curie por debajode 2000C mediante vanacionesde la composición, lo que resulta interesantepara poder utilizar potenciasde láserrazonables. Estructura amorfa Es posible conseguiraleacionesamorfas en un amplio rango de contenido en tierra rara. De esta manera,debido a la relativamentealta resistividad que presentan,la conductividadtérmicano esmuy elevada,lo que ayuda a limitar la zona calentada.Además,la estructuraamorfa del medio hace que el nivel de ruido seamuy bajo. Desventajas Se puedenresumir en dos,estasaleacionesmuestrandébilesefectosmagneto- ópticosy no sonmuy resistentesa la corrosión. 1.3Modificación de las propiedadesmagnéticasde materiales heterogéneos. La clave de la apariciónde nuevasy en algunoscasossorprendentespropiedades en los materialesheterogéneos,residefUndamentalmenteen el reducidotamaño de susfasesconstituyentes.De estamanera,sepuedenobtenermaterialesen los que la composición,estructurao propiedadesintrínsecasfluctúan en distancias del mismo ordenque las longitudesfisicastípicas,talescomo recorrido libre de los electrones de conducción, longitud de correlación de canje, etc. Así, modificacionesde las propiedadesindividualesde algunade las fases,collevan radicalesvariacionesmacroscópicasen el material, e incluso la aparición de fenómenosfisicos, no descritosen materialeshomogéneos.A continuaciónse describenalgunosejemplos: - Losnanocristalesobtenidosa partir de aleacionesmetálicasamorfhs,son algunosde los materialesmagnéticamentemásblandosque se conocen [4]. El flmdamentode estascaracterísticasserelacionacon la longitud de correlaciónde canje.En estosmaterialestomaun valor que essuperiora 6 u Capítulo1. Introducción la distanciaentrecristales,y produceuna cancelaciónde la anisotropía macroscópicadelmaterial. [5] - Los imanesde mayor producto energéticotambiénposeenestructura nanocristalina pero propiedadesradicalmente distintas [6]. La fase cristalizada, de gran anisotropía,manifiesta sus mejores propiedades cuandosutamañoesinferior al del monodominioy además,los cristales seencuentranaisladosmagnéticamentemedianteunafaseparamagnética - Ciertosmaterialescon estructurade multicapa[7] o de sólidogranular[8] quealternanfasesferromagnéticasy paramagnéticas,exhibenpropiedades tales que como la magnetorresistenciagigante. Este fenómeno se relacionacon la variaciónde la dispersiónde los electronesde conducción con el estadode imanacióndel material, la cual fluctua en dirección en longitudesde decenasde Á. - Recientemente,sehandescritoen la literaturaexperimentosqueponenen evidenciala apariciónde fenómenosmagnéticosen láminasultrafinasde materialesparamagnéticos,al serdepositadossobrecristalesde Co [9]. la inducción de magnetismoen sustanciasque cuando sepresentancomo materialmasivono lo son serelacionacon el hechode que la longitud de penetracióndel canjedel materialmagnético,esdel mismo ordenque el tamañodelmaterialno magnético. 1.4Magnetorresistenciaanisótropa. Magnetorresistencia(MR) esel cambio de la resistividadeléctricainducido por un campo magnéticoexterno. Cuando calificamos la MR como positiva o negativanosreferimosal incrementoo decrementode la resistividadcon el campo magnético.El modelo de Drude de conducciónen los metalesno da cuentade la aparicióndeestefenómeno,sin embargoaparece,en mayoro menormedida,en todoslos metales.LaMR no sólo dependede la intensidaddel campomagnético, sinotambién,en algunasocasiones,de suorientaciónrespectoa la corriente,y así sedistingueentremagnetorresistencialongitudinaly transversal.Normalmentese espresaen valoresrelativosdevariaciónde la resistividadrespectoaun estadode imanaciónconcreto(generalmenteel estadodesimanado).Sedistinguendistintos tiposdemagnetorresistencia[10]: - Magnetorresistenciaordinaria. Es la que seobserva en los metalesno magnéticos. existe también en los magnéticos, pero se encuentra enmascaradapor otros efectos.Su valor es muy pequeñoy ambasMR transversaly longitudinal son positivas, creciendocon el cuadradodel campoy sin quealcanceningúntipo de saturación[11]. - Magnetorresistenciaanisótropa [12]. Es la que apareceen los metales ferromagnéticosy susaleaciones.La longitudinal sueleserpositiva, y la transversalnegativa.Es el tipo de magnetorresistenciaque apareceen las muestrasde Ni/Co que se estudianen estamemona. 7 u — Capítulo1. Introducción - Magnetorresistenciagigante. En 1988, Baibich y colaboradores[7] descubrieron elevados valores de magnetorresistencianegativa en multicapasde Fe/Cr, en las que la interacciónde canje entre láminas induceun alineamientoantiferromagnéticode las láminas adyacentesde Fe. Las variacionesde resistenciaque seencontraroneranmayoresque un factor dos. Posteriormente,estos efectos, junto con complicadas oscilacionesde la MR y en el sentidodel acoplamientodel canje, se han observadoen una gran variedadde multicapas.A causade los elevados valores que adopta, la MR en estos materiales se suele denominar gigante. Sin embargo,lo quela distinguede laMR anisótropa,no estanto sumagnitudcomo el hechode que esnegativaen todaslasdireccionesde aplicación del campo. Más recientemente,y de manera independiente, Berkiwitz [13] y Xiao [8] han encontradomagnetorresistenciagigante tambiénen sistemasgranulares.El origen de estetipo de MR pareceestar en la dispersiónque sufrenlos electronesde conduccióncon el momento magnéticodel material,cuyaorientación,en el estadodesimanado,fluctua en longitudesdedecenasde A. Cuandoseimanael materialla dispersión semodifica,y la resistividadvaríanotablemente. A continuación se describe con mayor detalle el fenómeno de la magnetorresistenciaanisótropa,que es la que exhibenlas multicapasde Ni/Co queseanalizanen estetrabajo[14]. El descubrimiento de la magnetorresistenciaamsótropaen los materiales ferromagnéticosse debea William Thompson,Lord Kelvin (Glasgow, 1857) [15]. La fenomenologia de esta propiedad es muy similar a la de la magnetostricción.Ambasmagnitudesdependen,no del sentidode la imanación, sino de su dirección. La dispersiónde los electronesde conducción(y por lo tanto la resistividaddelmaterial)varíasegúnla orientaciónde los orbitales3d de átomo magnéticorespectoa la corriente.El cambio del estadode imanacióndel materialhacevariarla orientaciónde los orbitales3d, pormedio de la interacción spín-órbita,dandolugar a un efectode resistividadanisotrópico[16]. Generalmente,el análisis de la magnetorresistenciaanisótropase hace en el marco de la ecuacióndel transportede Boltzmannpara un gasde electrones libres, en la aproximaciónde tiempo de relajación.La corrientetotal sedescribe en términos de dos contribucionesindependientes,constituidas por las dos posibilidadesde spín [17]. El recorrido libre del electróndependede su spín y, con el fin de tener en cuenta el efecto anisótropo,del ángulo entre el vector velocidady e imanaciónM. La fUnción de distribuciónelectrónica,en la posiciónr y con unavelocidady se escribede la forma: f(v,r) =f0(s)+g(v,r) (1.2) 8 u — Capítulo]. Introducción Aquí,f0(s) esla distribución de Fermi-Dirac en equilibrio en la energíae=¼mv 2, y g(v,r) esla desviacióndel equilibrio en presenciade un campoeléctricoE. La ecuación(1.2) y las posterioresse aplican a sendostipos de portadores.La ecuacióndel transportede Boltzmannlineal y en la aproximaciónde tiempo de ralajaciónvienedadaporla expresión: £~(v~r)E¿Yo(c) g(v,r) (1,3) r en la que e y m son la cargay la masadel electrón respectivamente,y y es el tiempo de relajación,que dependedel spin. A bajastemperaturas(bajaspara el gasde electrones),sólo seconsideranlos electronescon energíadeFermi. Por lo tanto se escriber=Á/VF, donde2 representael recorrido libre del electrón.La velovidadde FermivF seasumequeesla mismaparaambostipos deportadores. La densidadde corrientese obtiene integrandola ecuaciónde Boltzmannen el espaciode velocidadesde acuerdoconla expresión: J(r) = ~e(~)Jd3vvg(v,r), (1.4) en la queh esla constantede Plank. Para introducir el efecto anisotropico,seasumeuna dependenciadel recorrido libre medio con el ángulo 9entrela velocidady del electróny la imanaciónM de la forma: ¿(e)= ¿o(l~acos29~bcos49). (1.5) Los parámetrosa y b son una medida de la anisotropía de la dispersión (scattering).Normalmentesedesprecianlos términosde ordensuperior. Parameterialesmasivos,la distribución de no equilibrio esindependientede r, y la soluciónde la ecuaciónde Boltzmannvienedadapor: 12(9), g(ú)=eE4I c~j(e) (1.6) LÓSJ dondeE sedirige a lo largodel ejex, y ú~ esla componentex delvectorreducido U~V/VF. De la sustituciónen las ecuaciones(1.6) y (1.4), seobtienela densidad decorrientJy la conductividadparacadatipo de portadoro 9 j r¿e2 3 t3~.2 — = id E 2mv¡~ ~4e) (1.7) donden esla densidadde electronestotaldadapor: SgFmvpl3 >2=—Ii. 3 Lhi (1.8) La evaluaciónde la ecuación(1.7)si el recorridolibre medioesisótropoconduce al conocido resultado de Drude. En el caso de recorridos libres medios anisotrópicoscomo el de la expresión(1.5), la conductividadparacadatipo de portadoresesfuncióndelánguloO entreM y E. ne2 2~[í ‘a —(4a+.~%b)cos2O] (1.9) Deaquísesigueque, si el mecanismomicroscópicoque conducea un recorrido libre medio quecontienehastala cuartapotenciadel cosala conductividadsólo dependedela segundapotenciade cosO.Si indicamoscon los superíndices‘1 y 1- las contribucionesde los dos portadores,el efecto de magnetorresistencia anisótropapara cadauno de ellos vienedado por la variación relativaentre la medidacuandoimanacióny corrientesonparalelos(par) y perpendiculares(ver): C t(~) — Pper) = Ppar ~ Upar ) El efectototal, considerandoambascontribuciones: CPpar— Pper — Ppar >1 s4(4a’+Mb’)+2t(4a’ +~b~) (1.11) 2 t(~)+nbt(4~) 5 35 (1.10) lo u — Capítulo1. Introducción La introducciónde las condicionesde contornoo periodicidadadecuadassobre la fUnción g(v,r) al resolver la ecuación (1.3), permite el estudio de este fenómenoen diversasgeometrías. 11 u u Capítulo1. Introducción E u Bibliografia [1] J. Daval,B. Bechevet,J. Magn.Magn. Mat., 129, 98(1994) E [2] B. U. Huth, IBM J. Res.Develop.,18, 100 (1974) u [3] H. 5. BennetyE. A. Stern,Phys.Rey. B, 8, 1239(1973) [4] Y. Yoshizawa, 5. Ogumay K. Yamauclii, J. Appl. Phys., 64 (10), 6044u (1988) u [5] R. Alben,J. J. Beckery M. C. Chi, Y Appl. Phys., 73(10),6525 (1978)R.Skomskiy J. M. D. Coey,Phys.Rey. B 48(21),15812(1993) u [7] M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyenvan Dau, F. Petroff P. Etienne,U. Creuzet,A. Friederichy J. Chazales,Phys.Rey.Len., 66 2472, u [8] (1988) J. Q. Xiao, J. 5. Jiangy C. L. Chien,Phys.Rey. B, 469266(1992) E [9] M. U. Samantetaí,Phys. Rey. Len. 72, 1112(1994) E [10] C. L. Chien,J. Q. Xiao y J. 5. Jiang,J. Appl. Phys.73(10),5309(1993) [11] N. W. Ashcroft y N. D. 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Sepuedeestableceruna clasificaciónatendiendoa la naturalezade los procesosque intervienenen el transportede material a depositary en la propia deposición.Así, es posible distinguir entre técnicasde deposiciónde películasdelgadasfisicas,químicasy fisico-quimicas: -TECNICASFÍSICAS: - Evaporacióndel material a depositarpor medio de energíatérmica,y posteriorcondensaciónsobreun sustrato,generalmenterefrigerado. - Epitaxiade hacesmoleculares.Es unavariedadde la evaporaciónen la que el material se calientaen vacíomedianteunaresistencia,dentro de pequeñoscompartimentos(célulasKnudsen),lo que da lugar a un hazde átomosqueeseyectadoporunpequeñoorificio. - Deposiciónpor hazde iones. Se generaun haz de iones del material que se desea depositar, y se deposita a baja energía (alrededorde 100 eV), directamentesobreun sustrato. - Deposicióncatódica (Sputtering).La extracciónde material serealiza medianteun procesomecánico,al seréstebombardeadocon los iones aceleradosde un plasma gaseosomantenido a baja presión. La naturalezadel campoeléctrico utilizado en la aceleraciónde los iones caracterizalas diferentesmodalidadesde éstatécnica. - Deposicióncatódicamediantehaz de iones. Es unprocesomezclade los dosanteriores,en el que seproduceun haz de ionesque seacelera contraelblancoparaproducirla extracciónde material. - Ablación losen La extracciónde material se realiza comunicando energíamedianteun hazlaserde alta potencia. Capítulo2 TécnicosExperimentales. TÉCNICASQUIMICAS: - Deposiciónquímicaenfasehúmeda.Sedepositaun materialsobreun sustratoa travésde unareacciónquímicao electroquímica. - Deposiciónquímicaenfasedevapor(CVD). Los componentesdeuna fase gaseosareaccionanpara formar una película sólida sobre un sustrato. IrÉCMCAS FÍSICO-QIJIMICAS Es una variedadde la deposiciónquímicaen fase de vapor, en la que la reacción química es asistida mediante algún proceso fisico. Así se distinguen:CVD asistidaporplasma,foto-CVD, laser-CVD,etc. 2.1.2Descripcióngeneralde la técnicadedeposicióncatódica La pulverización catódica o sputtering, es un proceso de deposiciónfisica medianteplasmaluminiscentemantenidoa bajapresión(10~-1 mbar).Mediante la aplicaciónde un campoeléctrico, los ionesdel plasniase acelerancontrael materiala depositar,denominadoblanco.La energíatransmitidaa los átomosdel blancoa travésde la interacciónmecánicadel choque,haceque algunosde ellos sedesprendan,y finalmentesedepositensobreun sustrato.Estatécnicapermite depositar todo tipo de materiales, simples o compuestos,conductoreso dieléctricos.Además,todosustrato,tanto dieléctricocomo conductor,quepueda serpuestoen vacío y calentadoligeramente(60 ó 700C) es compatiblecon este proceso. Una instalación de pulverización catódica consta fUndamentalmentede los siguienteselementos(figura 2.1): Figura2.1. Instalacióntípicadepulverizacióncatad’ . C, cámarade procesos;PB, pletinade blancos;PC, pletinade cierre; HP, bombeo primario;RS,bombeosecundario. 14 A nodo E • Capitulo2. TécnicasExperimentales. - una cámarade depósitoequipadaparapulverizacióncatódica; - un grupo de bombeoen dosetapas(vrimaria y secundaria),capazde llegar a presionesinferiores a 10~ mbar y de bombeareficazmente contra 10-2mbar; - una fuentede alimentacióneléctricade alta tensión,continuao de alta frecuenciadependiendodelproceso. El blanco está situado en la cámara de vacío en forma de placa de unos milímetros de espesory superficie similar a la zona a recubrir (figura 2.2). El blanco se fija sobreun electrodorefrigerado (cátodo) que se polariza a una tensióncontinuao de radiofrecuencia,dependiendodeltipo de pulverizaciónque sevaya a realizar. Otro electrodo(ánodo), se situa paraleloal blancoy a unos pocoscentímetros;en muchoscasos,el ánodoesal mismotiempo portasustratos y se conectaa masaparafacilitar su ionización. (-1-) Haciael grupode bombeo Figura2.2. Recintodepulverización El equipo de pulverizacióncatódicaque se ha utilizado parala fabricaciónde granpartede las muestrasobjetode estamemoriaesun modeloALCATELSCM- 600, pertenecienteal Instituto de MagnetismoAplicado. Constade una cámara de depósito cilíndrica, de 600 mm de diámetro, en cuya basese alojan tres cátodoscircularesde 100 mm de diámetroy un cátodocircular de 50 mm de diámetro; el grupo de bombeoconstade dos etapas,primaria de rotatoria y secundariade turbomolecular.Alcanza un vacío en la cámarade í0~ mbar y puede evacuarcontinuamentecontra una presión de 10-2 mbar. El gas de descargaes argón de purezaN-55. Asimismo cuenta con dos fuentes de alimentación1W y una DC, lo quepermitellevar a cabodiversosprocesos,como deposición simultáneao alternadade varios materiales, limpieza iónica del sustrato,etc. Una tercerafuente, en estecasoRF, estáconectadaa la pletina portasustratos,y permite hacer limpieza iónica del sustrato (etching) y pulverizacion con el sustrato polarizado (Añas sputtering). Los cátodos, Sustrato 15 Capítulo2. TécnicasExperimentales. refrigeradospor agua, estánsituadosen la basede la cámarade depósito.La plataformasuperiorde la cámara,tambiénrefrigeradapor agua,puederotarcon velocidadcontrolada,y albergados porta sustratoscirculares de 100 mm de diámetro.La distanciaentreblanco y sustratose puedeajustarentre SO y 100 mm. Uno de los portasustratossepuedecalentarhasta6500C. 2.1.3Mecanismofísico de la pulverización En la pulverizacióncatódica,la eyecciónde átomosesun procesopuramente mecanicodebidoal choquede iones sobreel material a depositar.Mientrasque en un procesode evaporación,para desprenderlos átomosse les comumca energíatérmica,en la pulverizaciónexisteunatransferenciade energíamecánica, a través de intercambio de cantidadde movimiento entre el ión del gas luminiscentey los átomosdelblanco(figura 2.3). Estemecanismoconfiere a la pulverizacióntres característicasdiferenciadorasrespectoa otros procesosde deposición: - El proceso es puramentemecánico,y el blanco se mantiene a temperatura ambiente. En la práctica, el blanco se calienta ligeramentedebidoal bombardeoiónico, y necesitarefrigeración. - El caractermecánicodel procesohaceque el bancocompuestopor varios elementossepulvericeigual que un elementopuro, y que la aleaciónsedepositeen la mismaproporciónque la delblanco.En la práctica,suelehaberciertapérdidade estequiometría;en materiales en forma de óxidos, ésto se compensamediantelo que se conoce comopulverizaciónreactiva. AÉ III + Gasif N Solido Iv Figura 2 3 Mecanismo físico de pulverización 1 expulsión de átomos; JI, colisión ión-átomo, transferencia de cantidad de movimiento y generaciónde calor; III, neutralizaciónde iones, expulsióndeátomosggseosos;1V absorcióndeionesg~seosos. 16 Capítulo2. TécnicasExperimentales. - La energíade las partículaspulverizadases muchomayor que la de las evaporadas.La energíamediaesde 1 a 10 eV, lo que corresponderíaa temperaturasde evaporaciónsuperioresa 100000C[2]. 2.1.4 Característicasdel flujo de paniculaspulverizadas Laspartículasexpulsadasbajoel impactode los ionessoneléctricamenteneutras; al atravesarel plasmasólo sejoniza unafracción de partículasqueno sobrepasa el 1%. Esto permite utilizar esteproceso para recubrir materiales aislantes (cerámicasvidrios, plásticos).En sistemasconvencionales,el bombardeoiónico esnonnalal planodelblanco,y la eyecciónde materialserealizapreferentemente en la disección perpendicular.Las velocidadesde los átomos evaporados térmicamente,siguenunaley de distribución dondeel máximo sesitúaalrededor de energíasde 0.2 eV, aproximadamente.En pulverizacióncatódica,la velocidad mediacorrespondeaunaenergíade 4 eV, y unafracción apreciabledepartículas alcanza50 eV [2]. Por tanto, los átomospulverizadosllegan al sustratocon energías50 6 100vecessuperioresa las delos evaporados. Como consecuenciade todoésto: - La energíade los átomospulverizadoses suficienteparaproducir la expulsiónde losgasesadsorbidospor el sustrato,por lo que serealiza asíun desgaseadoparcialde la superficiea recubrir. - Unapartede los átomospulverizados,altamenteenergéticos(50 a 100 eV), escapazde pulverizarel sustratoy crearasícentrosde nucleación [3]. Los fenómenosde nucleación y crecimiento en las capas pulverizadas son análogosa los que sepresentanen la evaporación,aunqueesposibleresaltardos particularidades: - El repartouniformey la mayor densidadde los islotesde crecimiento hacenque sea posible obtenercapascontinuasde mayor espesor;se atribuye a estacaracterísticael hechode que las capaspulverizadas seanen generalmásadherentesquelas evaporadas. - Unaconsecuenciade la fuertedensidadde los islotesesqueel tamaño de los granoscristalinos sea en general, menor que en las capas evaporadas(10a 20 nm). Las películasno crecende manerauniforme, como los materialesmasivos.La rugosidaddel sustrato,los efectosde sombray la distribución de los islotesde crecimiento conducena un crecimiento preferencial del depósito según la direcciónnormalal sustrato.Así resultaunaestructuracolumnarcomola descrita en el modelo de 13. A. Movchan y A. y. Demchishin [4] (figura 2.4). La estructuradependeesencialmentede dos factores: temperaturay presión de argón. 17 E • Capítulo2. TécnicosExperimentales. Tal y como serepresentaen la figura, las películaspulverizadascrecencon una estructuracolumnar.Cuantomásalta esla temperatura,másgruesasy compactas estánlas columnas.En cuantoal efectode la presión,cuantomáselevadaesésta, másseparadasestánlas columnas,y menosdensaesla películacrecida. Figura2.4. Estructuracolumnardel depósito. 1, estructuraporosa;JI, zonade transición; III, estructuracolumnar; iv; recristalizaciónde los gxanos.Los ejes representanla tempreaturadel sustrato 7 en relacióna la temperaturade fisión del material,TM. 2.1.5Técnicasdepulverización La fabricación de una película delgada mediante la técnica de pulverización catódicasuponedoscondicionesiniciales:realizaciónde vacio en el interiorde la cámara,y mantenimientode unapresiónconstantey comprendidaentre lO~ y 1 mbardel gasdetrabajo. La presiónde depósitodependede la técnicautilizaday de las condicionesde crecimientode la película.En segundolugar, esnecesano ionizarelgasde la cámara(engeneralargón)paraconseguirun flujo importante de ionesmediantela polarizacióndelblanco. Vacio La calidaddel vacío que seobtieneen la cámara,escrucial en la realizacióndel depósito.El vacíoprevio intervienedecisivamenteen la purezade la muestra.En la pulverizaciónde metalestalescomo el cobalto,esnecesariola obtenciónde un vacío mejor que 10-6 mbar con el fin de evitar el crecimientode óxidos. La naturalezadel gas de descargadurante la pulverización interviene en tres aspectos: 9 18 E • Capítulo2. TécnicasExperimentales. - Lapresióndel gas de descargadeterminael recorridolibre medio de las moléculaspulverizadasy en la cantidadde moléculasgaseosasque lleganal sustratoporunidadde tiempo. - El flujo gaseosoQ, se define como el producto de la velocidadde bombeo,S, medidaen litrosporsegundo,y la presiónen la cámaraP. - Purezadel gas residualí. Si el gasintroducido fuera absolutamente puro,la presióndevapor de los materialesqueponemosen vacíofuese nulay las superficiesde la cámarano desgasificaran,el flujo gaseoso Q, estaríaconstituido únicamentepor argón y seobtendríanpelículas de excelentecalidad. La desviaciónde las condicionesanteriormente citadasva en detrimentode la purezadelgasde depósito. Por todo lo anterior, la mejora de la pureza del gas residualpasa por la disminución del flujo de desgasificaciónde las paredes,y el aumento de la velocidadde bombeo del gasconsideradoa la presión de trabajo. En nuestro caso,duranteelprocesode depósitoseutiliza el bombeode la turbomolecular, quemantieneS= 430 Ps. Ionizaciónde gases El fenómenode ionizaciónde un gasesunprocesofisico por el cualel gas,que en condicionesnormales es un aislante eléctrico, se hace conductor. El mecanismofisico es el siguiente:el gascolocado entredos electrodossiempre contienealgunoselectroneslibres. Demaneranatura],debidoa la acción de los rayosultravioletasy cósmicosambientales,algunosátomosdelgasseionizan. Al aplicarun campo eléctrico entre los electrodos,estos electronesse aceleran, chocancontraátomosde gas,e inducennuevasionizaciones(figura 2.5) (+) Figura2.5. Ignición de ladescarg»;A,átomoneutrodegas,A~ión de gas,C electrón. 5) III AAAA/ \ 19 E • Capítulo2. TécnicosExperimentales. Los iones, al quedar cargadospositivamente,son atraidospor el electrodo negativo(dondesesituael blancoen un sistemade pulverización),y expulsan, porefectodel choque,átomosy electrones.Estoselectrones,tambiénacelerados por el campo eléctrico, encuentranen su recorrido nuevosátomosa los que tambiénionizan, repitiéndosenuevamentetodo elproceso.Si la presióndel gas está comprendidaentre ciertosvalores, el fenómenose amplificará hasta un estadode equilibrio donde las neutralizacionescompensena las ionizaciones. Estosprocesosrecibenel nombregenéricode descarga. Segúnsu evolucióncon la corrientey el voltaje en el cátodo,se distinguentres etapasen la descarga[1] (figura 2.6) - Descarga de Townsendno luminiscente, caracterizadapor su baja densidadiónica. Esta es la región en la que trabajan los tubos de tonizaclon. - Descargaluminiscente,tambiénconocidacomo descargaabnormal. Se obtieneuna vezque el bombardeoiónico alcanzatoda la superficie delblanco.Posterioresaumentosde la potenciade la fuente,producen mcrementosdel voltaje y de la densidadde corriente. Es el régimen que seusaen la deposicióncatódica.Si no se refrigera el blanco,se producenelectronestérmicosque seunena los secundarios,lo que da lugaraunaposterioravalanchao arco. Descargaen régimende arco; se utiliza en soldaduray metalurgia dada su elevada temperatura. Apenas se utiliza en procesosde deposición por su inestabilidad. Se manifiesta como fenómeno parasitarioen las cámarasde pulverizaciónal perturbarla alimentación eléctrica. Se caracterizapor una fuerte luminosidad,y una densidad iónicamuy elevada(másdel 10% de los átomosestánionizados) 1200 1000 2 800 a>~ 600 400 200 o Densidadde corriente(A/cm’) Figura 2.6. Distintos regímenes de descarga: .1, descarga de Townsend;JI, descarganormal; III, descargaanormal;iv; descaiga dearco. 10” 10.6 1 20 Capitulo 2. TécnicosExperimentales. Procesodiodo a tensióncontinuao diodoDC La figura 2.7 representala disposicióntípicade una cámarade depósitoque hace uso de esteproceso.Está equipadacon dos electrodos:un cátodoconectadoal poío negativode una fuentede alimentaciónde alta tensión(3 a 5 kV), y un ánodosituadoa algunoscentímetrosdel anterior.La cámaraestáconectadaa un grupode bombeocon dosmisionesprincipales:evacuarel aire hastaalcanzarun vacíoinferior a lO~ mbary mantenerunapresiónconstantedel gasde descarga duranteel procesode pulverización(típicamente,entre 10-2y 1 mbar). De esta manera,semantieneuna corrientede gasde depósitolo máspuro posible. En nuestrocasoel gasutilizado esel argón. Agua t ~ Figura 2.7. Dispositivo típico de pulverizacióndiodo DC: A, ánodo; C, cátodo;FA, flente de alimentación;O, haciael grupo debombeo; U>1 microválvuladegases;U>2, válvuladeaislamientode la cámara. El procesodiodo DC permite depositarcualquier tipo de material conductor (metalesy sus aleaciones),y algunosligeramenteconductoreso semiconductores (comocarbono,germanio,silicio, carburode silicio). No permitela pulverización de materialesdieléctricoscomo sílice, alúmina,etc, ya que las cargaseléctricas aportadaspor los ionessobreel blancono puedenserconducidaspor el material aislante.Paraestoscasos,esnecesarioutilizar el procesoRE. En cuantoal tipo de materialesquepuedenserrecubiertos,no existeprácticamentelimitación, si se exceptúanaquellosquenopuedenserpuestosen vacío, y los que no resistenun ligero calentamiento(sin refrigeración,se alcanzan&cilmente los 200 0C) Pulverizaciónen radiofrecuenciao procesodiodoRF Mediante esteprocesoes posible la pulverizaciónde blancosconstituidospor materialesaislantes,y que por lo tanto, no son susceptiblesde serutilizadosen procesosdiodoDC. El plasmaestáconstituidopor tantosionescomoelectrones. Durantela polarizaciónnegativadel blanco,ésteatraelos ionespositivosquelo 21 Capítulo2. TécnicasExperimentales. pulverizany carganpositivamente.En el semiperiodopositivo, el blanco atrae electrones,quelo descargan(figura 2.8). y Figura 2.8. Pulverizaciónde materialesaislantes.En el semiperiodo negativo1, tiene lugar la atracciónde iones y la pulverización del blancoaislanteAl. En Ji, se producela atracciónde electronesy la neutralización Cuando la frecuencia es suficientementebaja (por debajo de 150 kHz), la movilidad de los ionesestal que, teniendoen cuentalas dimensionestípicasde estossistema,puedenllegar a alcanzaramboselectrodosduranteun periodo,y así,pulverizanalternativamentecátodoy ánodo. Al incrementarla frecuenciaseconsiguendosefectosimportantes: - Porun lado,los electronesdelplasmaoscilancon suficienteenergíacomo paraionizar los átomosgaseosos.Sereducela dependenciade la descarga respectoa la emisión de electronessecundariospor el blanco. De ello resultauna disminuciónde la tensiónde ignición de la descargaparauna presióndada,o alternativamente,una disminución de la presiónmínima para una tensión de polarización dada. Mientras que en el caso de procesosdiodo DC se necesitan típicamente 1000V para iniciar la descarga,en RiF puedenser suficientes 100 y, y la presión mínima se reduceen un ordende magnitud. - Otro efectodelincrementode frecuenciaesque, dadala elevadamasade los iones, éstospennanecenlo suficientementeinmóviles como para que seadespreciableel bombardeode los electrodos. 1 II 22 Capítulo2. TécnicasExperimentales. La diferenciade movilidad entrelos portadoressetraduceen una característica 1(V) comola que serepresentaenla figura 2.9. Figura2.9. Aparicióndela tensiónnegativapulsadaen el cátodoRF. Apareceun excesode la corrienteelectrónicarespectoa la corriente iomca. Duranteel semiperiodopositivo, seatraehaciael electrodounagrancantidadde electronesnegativos,mientrasque en el semiperiodonegativo, la densidadde iones es baja. Si el electrodo se acopla capacitivamentea la fuente de alimentación,la imposibilidad de transponeneto de cargahacequesedesarrolle unpotencialnegativopulsadoenesteelectrodo[5, 6] (segundapartede la figura 2.9). El valor medio de este potencial se denomina potencial de autopolarización, V~, y graciasa él se consiguela pulverización efectiva del cátodoen RiF. La unión capacitivase consiguea travésdelpropio blanco,si está constituido por un material dieléctrico, o mediante un capacitor de bloqueo en sene, para permitir la pulverización de blancos construidoscon materiales conductores. La frecuenciaa la que aparecenlos fenómenosanteriormentedescritosse situa entre 1 y 30 MHz. Al encontrarsedentrode la bandade radiocomunicación,sólo se permite la utilización de la frecuenciade 13.56 MHz y sus armónicos.En el sistemaaquíempleado,sólo seutiliza 13.56MHz. Igniciónde descarga Autopolanzación 23 Capítulo2. TécnicasExperimentales. La figura 2.10 describeun sistematipico de pulverizaciónRl?. Al igual que en el sistemadiodoDC, puedeestarconstituidoporvarioscátodosde distintasformas y tamañossituadosa distanciavariabledel sustrato.En nuestrocasoseutilizan cátodoscircularesplanosde 100mm de diámetroa 100mm de distanciadesdeel sustrato. Figura 2.10. Cámara de pulverización catódica diodo RF: PS, portasustratos;FA, fuentede alimentación;O, diafragma;B, blanco; Crf cátodo de radiofrecuencia;Ai, adaptadorde impedancias;y válvuladegases. Dadala naturalezade la polarizaciónRE, conel fin de situar apropiadamenteen el cátodo la mayor parteposible de la potenciageneradapor la fuente, es necesarioajustarla impedanciade ambos sistemas.La impedanciadel cátodo varia con el tipo y dimensionesdel blanco,la presióndel gas de descarga,la posicióndel sustratoetc.Por consiguiente,se utiliza un dispositivoadaptadorde impedanciasconstituidoporuna red de condensadorese inductanciasajustables de maneraautomáticao manual. Cuandose alcanzala condición de ajustede impedancias,se anula la potencia reflejada, y toda la potencia generadase transmitehaciael sistema. Las limitacionesen cuantoa los materialesque se puedenutilizar como sustrato sonlas mismasque en el casode procesosdiodo DC. Pulverizaciónmagnetrón El cátodo magnetrón es un perfeccionamientodel cátodo utilizado en la pulverizacióndiodo clásica,y que permite aumentarla velocidadde depósito. Esteperfeccionamientoconsisteen la aplicaciónde un campomagnéticointenso, perpendicularal campoeléctrico en las proximidadesdel cátodo, y por tanto paraleloa susuperficie. Como seha mencionadoanteriormente,una descargadiodo DC semantienepor los electrones secundarioseyectados del cátodo como consecuenciadel bombardeoiónico. Los electronesque no chocancon moléculasde gas, se alinean con el campo eléctrico (perpendicularesal cátodo),y finalmente son captadospor el ánodo (figura 2.1 la). En un sistema magnetrón, en las 24 Capítulo2. TécnicasExperimentales. proximidades de la superficie del blanco, se superponeal campo eléctrico existente, un campo magnético perpendicular.De este modo, los electrones describentrayectoriashelicoidalesalrededorde las lineasdelcampomagnético,y aumentanconsiderablementelas posibilidadesde ionizar moléculasde gasen las proximidadesdelcátodo. (+) B e (-) b (-) a Figura 2.11. Principio del efecto magnetrón;a, sistemadiodo; 1’, cátodomagnetrón La eficacia de ionización de los electronessecundariosemitidos por el cátodo creceal alargarsus trayectorias.El aumentode densidadiónica se produceen una zona próxima al blanco, donde los ionestienen másposibilidadesde ser atraidospor el cátodo.Las consecuenciasmásinmediatasson el aumentode velocidadde depósito,y la posibilidadde disminuirla presióndetrabajo. Lasvelocidadesde depósitopuedenllegar a ser50 vecessuperioresa las que se obtienen en los procesosdiodo a igualdad de las otras condiciones. La disminución de la presión mínima de trabajo, hace que sea posible realizar pulverizacionesmagnetrónen DC a presionesde 10~ mbar. Generalmentesedistinguendostipos de cátodosmagnetrón[1], en fUnción de su forma geométrica: magnetrones planos (circulares y rectangulares) y magnetronescilíndricos (en barraso magnetronescilíndricos huecos,tambien llamados postmagnetrones).En nuestro caso se han utilizado magnetrones planos,bienrectangulareso circulares,constituidospor imanespermanentes,los cuales, dada su disposición, producenun campo inliomogéneo paralelo a la superficiedel cátodo.El máximo de la componentetransversalestácomprendida entre200 y 500 Oe, y el mínimo de intensidad,alrededorde 80 ó 90 Oe. La inhomogeneidaddel campomagnéticosetraduceen una inhomogeneidaden el rendimientodepulverizacióna lo largo de la superficiedel blanco,y por lo tanto en el desgastedesigualdel mismo. Como se comentarámás adelante,este fenómenocobraespecialimportanciaen el casode blancoscompuestos.Un caso importanteen la técnicamagnetrónse presentaa la hora de pulverizarmateriales que son magnéticosa temperaturaambiente. Si el espesordel blanco es 25 3 • Capítulo2. TécnicasExperimentales. demasiadogrande,las lineas de campo del magnetrónse ciegan a través del propio blanco,con lo que se disminuye,e incluso seanula,la eficaciadelmismo. Si sereducedemasiadosu espesor,debidoa la inhomogeneidadde desgaste,se correelpeligro de perforarelpropio cátododurantela pulverización. Los materialesmagnéticosmásutilizados en los cátodosmagnetrónsonferritas de bario, Alnico o imanesde tierra rara. Estosúltimos, al poseerun elevado campocoercitivoy productoenergéticomáximo, saturanlos blancosmagnéticos, y soncapacesde mantenerun camposuficientementealto delantedelblanco. La refrigeración de un magnetrónes fundamental,debido a la cantidad de potencia eléctrica que se disipa en forma de calor. Sólo una pequeña parte de la energíaqueprovienedelbombardeoiónico seempleaen la eyecciónde átomos. Dadala inhomogeneidaden la distribución del campomagnético,el bombardeo iónico y laproducciónde calorse concentraen ciertaszonasdelblanco. 2.1.6 Obtencióndecompuestosy inulticapas Uno de los camposde aplicación principalesde las técnicasde pulverización catódicaeseldepósitode materialescompuestos.En estatécnica,la composición de la capapulverizadaesgeneralmentela misma que la del blanco. Esto esen generalválido incluso cuandolos rendimientosde pulverizaciónde algunosde los constituyentes son diferentes. Al iniciarse la pulverización del material compuesto, el constituyentecon mejor rendimiento es eyectado de forma preferente.Así, se forma en la superficie del blancouna capade composición diferente,pobreen la especiede más alto rendimiento.De estaforma, sereduce la proporciónde estasustanciaque sepulveriza,restableciendosela composición inicial. Pulverizacióndfrectade la aleación Esta técnica se utiliza para la fabricación de aleaciones de diversas composiciones,como NiCr, Permalloy,FeB, etc. Cuandose realizaun proceso de pulverización de este tipo, es importanteel control de la temperaturadel blancoy de la tensiónde polarización.Si uno de los constituyentesde la aleación esdemasiadovolátil (comoocurreen el casodel latón, constituidopora y Cu), puede producirse su evaporación, lo que dará lugar a una pérdida de la proporciónen la capadepositadarespectoa la composicióndel blanco.Porotra parte,puestoque el aumentode rendimientocon la tensiónaplicadano es igual para todos los materiales,variacionesde la tensión de polarización pueden conllevarcambiosdemasiadograndesde los rendimientosde polarizaciónde los elementosdelblanco. Blancoscompuestos En estecaso,el blancoestádividido en diferentespartes,constituidacadauna de ellasporuno de los elementosde la aleaciónfinal, en lugar de poruna aleación 26 u — Capítulo2. TécnicasExperimentales. homogéneacomo en el caso anterior. La composición de la muestra final dependede la superficiede cadauna de las distintaszonas,y delrendimientode pulverización de cadauno de los elementos.Si ademásse utiliza un sistema magnetrón, 1 que implica que la eficiencia de la pulverizaciónno va a ser demasiadohomogéneaa lo largo de la superficie del blanco,es tambiénmuy importantela posiciónrelativade los distintoselementos. Los blancoscompuestosse fabrican de diferentesmodos. Los más sencillos consistenen soldar o pegarel elementomas escasosobreun blancodel otro material [7]. En casosmás elaborados,el blanco del material principal está constituido por una seriede hoquedadesdondese disponenpiezasde distintos materialessegúnla composicióny proporcionesquesedeseenen el depósito[8] Copulverizaciónde constituyentes Consiste en pulverizar separadamentecada uno de los constituyentesdel depósito.Comocadaelementoespolarizadoindependientemente,sepuedellegar atenerun grancontrolsobrela composiciónde la película,mediantela aplicación de diferentestensionesa cadauno de los blancos. Pulverizaciónalterna Estemodo de deposiciónseutiliza tanto parala obtenciónde aleaciones,como sólidos granulareso multicapas.Se pulveriza cada uno de los componentes independientementeduranteun cieno tiempo. La alternanciadel depósito se puedeconseguirde diversas formas: eléctricamente,mediantela polarización alternadade los diferentesblancos,o bien mecánicaa travésdel desplazamiento del sustratosobrelos diferentesblancoso medianteel ensombrecimientode los mismos. El diferentetiempo duranteel cualseestádepositandocadauno de los elementos puros, suponela obtenciónde uno u otro tipo de material. Así, si el tiempo es inferior al necesariopara el crecimiento de una monocapaatómica,la película resultanteserá la aleación de los constituyentes,o la obtención de un sólido metaestableo granularsi éstosson inmiscibles(normalmentese requierealgún tipo de tratamientotérmico [9]. Cuandoel tiempo de depósitoes superior, se obtieneun material con alternanciacomposicionalabruptay de pequeñoperiodo espacialen la dirección de crecimiento.Estetipo de material, conocido como multicapa,seobtuvoporprimeravezcon constituyentesmetálicosen 1980 [10]. 2.2 Magnetómetro de Muestra Vibrante (VSM) El momentomagnéticode sustanciasferromagnéticassemide mediantemultiples técnicasexperimentales,tanto directascomoindirectas[11]. Entreestasultima% las más comunes son las técnicas de difracción de neutrones,resonancia 27 Capítulo2. TécnicasExperimentales. ferromagnética,efecto Hall ferromagnético,efecto Móssbauer,etc. Entre las técnicasde medidadirectasesueleestableceruna división en dosgrupos: - El primero estáconstituido por las técnicasbasadasen la medida de la fuerza ejercidasobrela muestrapor un campomagnéticoinhomogéneo; ejemplosde estegrupo sonla balanzade Faradayo el magnetómetrode torque. - El segundogrupo incluye aquellosmétodosbasadosen la medida del voltaje inducido en un sistemade bobinasde detección,cuandovaríael flujo magnéticoquelas atraviesa.Estavariaciónde flujo puededebersea cambiosen el campomagnéticoaplicadoa la muestra,y por lo tanto a cambiosen su imanación(fUndamentodel método balístico), o bien a variacionesde la posición del especimencon respectoa las bobinasde detección (principio de fUncionamiento de los magnetómetrosde extracción,del magnetómetrode muestravibrante y del magnetómetro SQUID). La naturalezafisica delvoltaje inducido en el sistemade bobinascaptoras,podría tambiénutilizarsecomo criterio de clasificación.Así, en los magnetómetrosde extraccióny en los demuestravibrante,la ley de Faradayestableceque, al variar temporalmenteel flujo magnéticoque atraviesael circuito constituido por las espiras,apareceuna fuerzaelectromotrizque dependede la magnituddel flujo magnético,y de la velocidadde variación de dicho flujo. En los magnetómetros SQUID, el circuito de detecciónestá constituido por una o varias espiras superconductoras,en cada una de cuales se inserta una o vanas timones Josephson.Al variarel flujo magnéticoa travésde estasespiras,en virtud de un efectode interferenciacuánticasuperconductora,apareceuna corrienteeléctrica en el circuito queserelacionaconel flujo quelo atraviesa. El magnetómetrode muestravibranterecibeestenombredelmétodoque emplea pararealizarla medida: sehacevibrar la muestraen direcciónvertical mediante un dispositivosimilar a un altavoz. La muestraimanadapor efectode un campo magnéticoaplicado,induceun voltaje en un sistemade bobinadossecundarios situadosa ambosladosde lamuestra.Estaseñalseamplifica y se comparacon la producida por un imán de calibrado situado entre un sistema de bobinas detectorassimilar. Estaseñalsedenominaseñalde referencia.El voltajede salida esproporcionalal momentomagnéticodel especimen. Durantela relizacióndeltrabajoexperimentalpresentadoen estamemoria,se ha empleadoun magnetómetroLDJ modelo 9600 cuyo esquemade medida se representaen la figura 2.12 [12]. 28 Capítulo2 TécnicasExperimentales. Trwt,.duc:or de r.JLrenda Figura 2.12. Representaciónesquemáticadel modode operacióndel MagnetómetrodeMuestraVibrante. En este sistema, la medida del voltaje inducido en el sistema de bobinas detectorasse realizamedianteel uso la técnicade detecciónsíncrona,también conocida como detección sensible a la fase. Ésto se lleva a cabo medianteel uso de un amplificador “lock-in” (ALI), el cual realiza dos funcionesbásicas.La primerade ellas es detectarsincronamenteel voltaje inducido en el bobinado secundario,proporcionalal momentomagnéticode la muestra.Estevoltaje es amplificado medianteun filtro de gananciaseleccionableen cinco décadas.Cada uno de estosintervalos de amplificacióncorrespondea un rangode medida de momentomagnéticodiferente,y que se extiendendesde0.01 hasta 100 esnu. Como referenciase utiliza la señalgeneradaporun imán permanenteque oscila solidario con la muestra.La señalprocedentede los bobinadosde medida se amplifica sólo en su componenteflundamental,quees la frecuenciade oscilación. Unavezamplificada,la señalse demodulaparaproducirun nivel continuo.Esta técnicapermitela detecciónde señalesextremadamentepequeñasa lavezque se conservaunaalta relaciónseñal-ruido. La segundade las fUncionesquerealizael Ah esamplificar la señalde referencia que provienedel imán permanente,y medianteun sistema de realímentación negativa,controlarde maneraprecisala amplitudy frecuenciade vibración de la muestra.A este sistema de control realimentadose le denomina control de gananciaautomático.Deestamaneratodaslas medidasserealizancon la misma Bleci,oim¡in 29 E — Capitulo2. TécnicasExperimentales. frecuenciay amplitudde oscilación independientementede las característicasde pesoo masadela muestra. A travésde sencillasconsideracionesmatemáticas,sepuedemostrarquela señal de salida del magnetómetroesproporcional,ademásde al momentomagnético del especimen,a la frecuencia y amplitud de la vibración. Se considerael especimenque seestámidiendo, como un dipolo magnéticode valor m. Si se asumeque la velocidadque se imprime a la muestradurantela vibración sólo tiene componenteen la dirección z, y que constade un solo armónico a la frecuenciade oscilación,seinduciráun voltajeen estasbobinasenvirtud de la ley de Faraday. Conocido el número de vueltas y la sección de las bobinas, la distanciaentreéstasy la muestra,y la frecuenciay amplituddel movimiento,el voltaje inducido serásólo representativodel valor delmomentom de la muestra. El amplificadorquegobiernael movimientode la muestra,utiliza la señalde error procedentede la realimentaciónpara rectificar el movimiento del motor de vibración y, en consecuencia,el movimiento del imán de referenciay de la muestra. Con este sistema, es posible medir momentosmagnéticosdel orden de ío-~ e.nru. con nivelesaceptablesde ruido y haciendouso de constantesde tiempo del amplificador“lock-in” del ordende un segundo. Otro aspectoimportanteen el fUncionamientode un VSM es el sistema de control del campo magnéticoaplicado. En nuestro caso, el campo se aplica medianteunelectroimánalimentadoporunafuentede alimentaciónLDJ 9300. El electroimány la fuente de alimentación,combinadoscon un gaussímetrode efectoHall, forman un lazo de realimentaciónqueproduceun campoprecisoy regulado,independientede fluctuacionesde la línea, remanenciao no linealidad delnúcleo,y otrascondicionesque desvirtúana los sistemasde lazo abierto.El campomagnéticomáximo accesiblea temperaturaambientecon estesistemaes de 2.5 tesla. 2.2.1 Operacióna temperaturassuperioresa la ambiente Con el fin de llevar a cabo experimentosde caracterizaciónmagnética a temperaturassuperioresa la ambiente,seacoplaal magnetómetroun sistemade calefacciónde la muestra,que permitela medida hastaun límite aproximadode 6500C. En primer lugar,parala instalaciónde estesistemasenecesitaun mayor espacioen el entrehierrodel electroimánque para el sistema de temperatura ambiente.Esto setraduceen que el mayor campomagnéticoaccesibleparalas medidascon temperaturaesde 1 tesla en lugar de los 2.5 teslade los que se disponea temperaturaambiente. En la figura 2. 13 se esquematizael diseño del sistema de calefaccion. Básicamenteconsisteen una resistenciabilMar de material no magnético(una aleaciónde Cr-Ni), arrollada sobre un tubo que hacelas vecesde cámara portamuestras. Todo el conjunto está en el interior de un tubo concéntrico con el anterior,y el espacioentreambosconstituyela cámarade la resistencia. 30 Capítulo2 TécnicasExperimentales. Van ulla portamuestras Muestra Cámara de la muestra Figura 2.13. Representaciónesquemáticadel dispositivode medidaa alta temperatura,acopladoal Magnetómetrode Muestra Vibrante. Algunasdela dimensionesrepresentadasestánexageradas. Enla cámarade la resistenciasehacevaciomedianteunabombarotatoriacon el fin de preservarla resistenciade los efectosde las altastemperaturas.En la cámarade la muestrasemantieneun flujo deargónparaevitar oxidacionesen Ja muestra.La muestrasefija a la varilla de alúminamedianteun cementode alta temperatura. La resistencia del horno se alimenta mediante un auto- transformador,y la temperaturase controla medianteun termopar situado próximo a la muestra.La corrienteque fluye por la resistenciaapenasinduce campomagnético,al compensarselos efectosde cadauna de las ramasdel hilo bilMar. Como sedescribiráen capítulosposteriores,estesistemade alta temperaturase ha usadofundamentalmenteparadeterminardiferenciasen temperaturasde Curie en el Ni del ordende decenasde grados.A fin de comprobarla precisiónque proporcionaestedispositivo, se midió la dependenciacon la temperaturadel momentomagnéticode una esferapatrónde Ni, SRM 772. En la figura 2.14 se Argon — Cabezavibradora Vacio Resistenciab [17] P. F. Micelli, D. A. Neumanny H. Zabel,Appl. Phys.Len.48, 24 (1986)u E 40 E u u Capítulo2. TécnicasExperimentales. u E [18] J.M. Barandiaranetal, Phys.Rey. B 35, 10, (1987) (19] E. du Tremolet de Lacheisserie, Magnetostriction. Theoty andu ApplicationsofMagnetoelasticity,CRC Press,200, (1993) [20] K Beckery W. Dtiring, Ferromagnetismus,SpringerVerlag,Berlin (1939)u [21] A. E.. West, Salid Late Chemistryand its applications, John Wiley & u Sons,87, (1990) u u E u u E u u E u E E u 41 E 42 Capítulo 3 Películasdelgadasamorfas de Tb~Feioo..1 3.0 Introducción Los elevadosvaloresde anisotropíamagnéticay magnetostricciónquepresentan las aleacionesTbFe, tanto en monocristalesy policristales,como en forma de aleacionesamorfas,hacenque éstosmaterialesseanobjeto de un activo estudio desdecomienzosde losaños70 [1,2]. El origende estaspropiedadesmagnéticas esla combinaciónde tresfactores: - El campocristalinoasfrrico[cw1J que actúasobrelasposicionesdelTb. - El intensoacoplamientospín-órbitacaracteristicodelas tierrasraras. - La distribuciónasféricade cargaen las órbitas4fde lastierrasraras(L!=0) Figura 3.1. Representaciónesquemáticadel origen de la anisotropía magnética. A lo ¡argo de estecapitulo, se utilizará el término asférico y asfericidad,paradesignarla simetriano esféricadel campocristalinoy losorbitalesatómicos. Entornoeléc¡rico asférico Capítulo3. Películasdelgadasamorfasde TbJ’ejú,,.~ En la figura 3.1 se representaesquemáticamenteel origen microscópicode la anisotropíamagnética. La asfericidaddel orbital atómico que poseemomento magnético,junto con la asfericidadde su entorno,haceque, por interacción culombiana,existaal menosuna orientaciónde equilibrio en la que permanece fija la órbita. Si además,la interacciónspín-órbitaesgrande,al quedarfijado el orbital electrónicoen una determinadaorientación,tambiénlo harásumomento magnético. Una excelenterevisión de las propiedadesmagnéticasy magnetoelásticasde los compuestoscristalinosde tierrasrarasy metalesde transición,sepuedeencontrar en[l]. Tal y comoseapuntaen el capítulo anterior,tambiénen aleacionesamorfasde estacomposición,y en formade películadelgada,seencuentranelevadosvalores de magnetostricción,y lo que quizá es más sorprendente,la presenciade una importante anisotropíamagnéticaperpendicularal plano de la película. Esta anisotropíaperpendicularen aleacionesamorfas de Tierra Rara y Metales de Transición(IR-MT), fue observadapor primeravez por Chaudhari,Cuomo y Gambino [2] en películasdelgadasde Od-Co crecidasmediantepulverización catódica. Desdela fabricaciónde las primerasde estasaleaciones,han sido numerososlos trabajoscientíficos que se han dedicadoa su estudio. Una de las principales razonespara ello ha sido, apane de sus propiedadesmagnetoelásticas,su aplicación como material de soporte en la grabación magneto-óptica. Sin embargo, el origen último de la aparición de la anisotropía magnética perpendicularal plano de la película, aún no se ha determinadopor completo. Sonnumerososlos modelos que sehan propuestocon el fin de explicar esta propiedaden películasamorfascomolas de TbFe. Debido a la grandiversidadde modelosexistente, se empleauna gran variedad de términos para discutir la anisotropíade estoscompuestos.Puestoque la mayorpartede la anisotropíaen las películas amorfas de TbFe tiene su origen en la interacción del campo eléctrico local con la nube 4f de los átomos de Tb, su magnitud refleja la asfericidadeléctricade su entorno.Esta distribución asféricade la carga,que se pone de manifiesto en diversas magnitudesmacroscópicas,se expresa en términosde diferentesanisotropíaslocales.Atendiendoal origen microscópicode estaasfericidad,sepuedenestablecercuatro clasesde anisotropía:anisotropía anelástica(AA), intrínseca (Al), ordenamientode pares de especiesatómicas (AOP)y anisotropíamagnetoelástica(AME). Podemosagrupardentro de tres tendenciaslos modelosque se han propuesto paradarcuentadela anisotropíaperpendicularde las películasamorfasde TbFe, lascualesseenumerana continuación: - El proceso de crecimiento favorecela apariciónde una ordenaciónde pares. Esta ordenaciónes la que induce la anisotropíaperpendicular (AOP). Estemecanismofue propuestopor primeravez por Gambino y Cuomo[3]. 43 Capítulo3. Películasdelgadasamorfasde TbJej00.« - Suzuki, Haimovich y Egami [4], propusieronla distorsión anelásticadel entornoatómicode la tierra raracomocausade la anisotropía,(AA). - En tercer lugar, algunos autoresproponen que la estructura de las películasamorfas consisteen unidadesnanocristalinascon un tamaño demasiadopequeñopara que sedetectenmediantedifracción de rayosx. Análisis de las distribucionesde pares,parecenmostrarun ordena corto alcanceque puedeser característicode estructurasnanocristalinasde Fe bcc, con un tamañoaproximadode 1 mn con átomosde It en posiciones de la red de Fe [5]. TambiénMergel et aL en la referencia[6] sugieren que duranteel crecimientoseformanplanoshexagonalescon el eje fácil perpendicularal plano de la película. Se trataríapuesde una anisotropía intrínseca(Al). Recientemente,estudios espectroscópicosde absorción de rayos x (técnica normalmenteconocidacomo EXAFS, queesel acrónimode la expresióninglesa Extended X-ray Absorption Fine Structure)en películas amorfas de TbFe, muestranla existenciade una anisotropíaestructuralfuertementecorrelacionada con la anisotropíamagnética.Estos estudiosse encuentranen [7, 8 y 9]. El análisisde estosresultados,conducea los autoresa sugerir la existenciade una distribuciónanisótropade los paresde las especiesatómicasde la aleación.Así, se encuentradiferente densidadde enlaces de un determinadotipo en las direccionesparalelasque en la direcciónperpendicularal planode la película. 3.1 Preparación y tratamiento de las muestras Laspelículasdelgadasde Tb~Feio~~utilizadasen los diversosexperimentosque se describena lo largo de este capitulo, se han obtenido en forma amorfa mediantela técnicade pulverizacióncatódica. Se han fabricado en un amplio rangode composiciones,0. l oe- u, 1- E- 1 2 3 4 5 Distancia(A) Figura 3.7. Transformadade Fourier con pesoi~ de los espectros EXAFS con polarizaciónen el píanoy perpendiculara las películas de composiciónTh39Fe61y Tb9Fe91. En la figura 3.8 se representala diferencia de amplitud entre los máximos principalesde la transformadade Fourieren el planoy perpendicular,en función del contenido en Tb. Se observa como la máxima anisotropía entre ambas direccionesapareceparamuestrascon un contenidoen terbio alrededordel 40 67 50 Capítulo3. Películasdelgadasamorfasde TbFeioo~« - En la región de alto contenidoen Tb, los experimentosde EXAFS revelan de maneraclara la presenciade anisotropíaen la ordenaciónde pares. La relajación de esta anisotropía necesitaría mayores reordenamientosatómicos, que implicaríanun aportede energiamayor que el de los tratamientosa los que se han sometidolas muestras.Así, como serepresentaen la Figura 3.26, la disminuciónde la anisotropíaen estaregiónprocederíade la desapariciónde las deformacionesanelásticas, mientrasquela anisotropíade ordenaciónde paresapenasserelaja. Fe Tratamiento Fe Fe térmico Fe .4 * Fe Fe Fe Figura3.25. Representaciónesquemáticadel procesode relajacionde laanisotropíaenla región dealtocontenidoen Th. Fe + 75 u Capítulo3. Películasdelgadasamorfasde Tb~Fe1oo~ u u Bibliografía [1] A. E. Clark,FerromagneticMaterials,Vol. 1, Cap. 7, Ed. E. P. Wohlfi¡rth,E North-HollandCompany,(1980) E [2] P.Chaudhari,J. J. Cuomoy R. J. Gambino,IBM J. Res.Dev.,11,66 (1973) [3] R. J. Gambinoy J. Y Cuomo,J. ‘yac. Sci. Tecbnol.15, 296(1978)u [4] Y. Suzuki, J. Haimovichy T. Egami, Phys.Rey. B 35,2162(1987) E [5] M. Tewes,J. Zwecky H. Hoffinann,J. Magn.Mag. Mater. 95, 43 (1991) u [6] D. Mergel,H. Heitmanny P. Hansen,Phys.Rey. B 47, 882(1993) [7] V. G. Harris, 1<. D. Aylesworth, W. T. Elamy N. C. Koon, J. Alloys and u [8] Compounds181, 431 (1992) y. G. Harris, K D. Aylesworth, B. N. Das, W. T. Elam y N. C. Koon, u Phys.Rey. Lett. 69, 1939 (1992) [9] y. O. Harris, W. 1. Elam, N. C. Koon y F. HelIman, Phys.Rey. B. 49, u 3637(1994) [10] ¿1k J. Rehret al., J. Am. Chem. Soc. 113,5135 (1991) E [11] F. Baudeletet al., Phys.Rey.B 47, 2344 (1993) [12] P. Hansen,Handbookof MagneticMaterials, Vol. 6, Cap. 4, Ed. K. H. J.E Buschow,ElsevierSciencePublishersB. V., 308 (1991) E [13] 1. A. Campbell,Y Phys.F 2, L47 (1972) [14] P. Hansen,C. Clausen,G. Much, M. Rosenkranzy K. Witter, J. Appl. E Phys.66(2), 756(1989) [15] D. W. Forester,C. Vittoria, J. Schellengy P. Lubitz, J. Appl. Phys.43(3),E 1966(1978) U [16] F. HeilmanyE. M. Gyorgy,Phys.Rey.Lett. 68, 1391 (1992) u u 76 u u u Capítulo3. Películasdelgadasamorfasde TbJ’e¡oo~ E [17] E. Belorizky, M. A. Fremy, Y P. Gavigan,D. Givord y H. 5. Li, Y Appl. E Phys.61, 3971 (1987) [18]P. 1. Wil]iams y P. J. Grundy, J. Phys. D: Appl. Phys. 27, 897 (1994) E [19] P. T. Squire,Meas.,Sci. Teclinol. 5, 67 (1994) E [20] Y. Suzukiy N. Ohta, J. Appl. Phys.63, 3633 (1988) [21] J. Huang,Y E. EvettsyR.E. Somekh,LE. E. E. Trans.Magn. 29, (1993) [22] 5. Legvold,FerromagneticMateríais,Vol. 1, Cap. 3, Ed. E. P. Wohlfarth, E North-HollandCompany,(1980) [23] R. Cohehoorn,Y Magn. Mag. Mater. 99, 55 (1991) u [24] Y. Suzuki, 5. Takayama,F. Kirino y N. Ohta 1. E. E. E. Trans.Magn. 23, 2275 (1993) ¡ [25] F. R Roer, R. Boom, W. C. M. Mattens,A. R. Miedemay A. K Niessen, en: Cohesion in Metals, Transition Metals Alloys, North-Holland,u Amsterdam(1988) E E u u u E E u E 77 u 78 Capítulo 4 Multicapas de Ni/Co 4.0Introducción La prácticatotalidadde los nuevosmaterialesmagnéticos,desdelos queposeen la más baja coercitividad -nanocristalesricos en hierro- hasta los imanesmás potentes-basadosen aleacionesde tierrasrarasy metalesde transición-,poseen una estructuraheterogéneaconstituidapor dos o más fasesmagnéticas.Se ha llegado a alcanzarun extraordinariocontrol sobrelas propiedadesmagnéticas aplicadas,a partir del control de sus propiedadesestructurales.La obtenciónde la propiaestructuraheterogéneay su modificación, se sueleconseguirpor medio de tratamientostérmicosy metalúrgicos.Sin embargo, la complejidadlocal de estosmateriales,haceque sea difidil la comprensiónde los mecanismosque gobiernanla interacciónentrelas distintasfases,los cuales, en definitiva estánen el origen de las sorprendentespropiedadesmacroscópicasqueexhiben.El estudio de sistemasheterogéneos,composicionaly estructuralinentemás sencillos,hace posiblela separaciónde lospapelesquedesempeñanlos diferenteselementosdel fenómenode interacción (composición,geometríainterfase,etc), y determmar cuál es la influencia de cada uno de ellos en una determinadapropiedad macroscópica.Así, a lo largo de la primerapartede estecapítulo,seestudianlos sistemasheterogéneosen forma de multicapaNi/Co y Ag/Ni con el fin de arrojar algo de luz sobre los fenómenos de evolución con la temperaturade la interacciónentrefasesen materialesamorfosnanocristalizados. Porotraparte,se aprovechalas propiedadesde magnetorresistenciaanisotrópica que presentanestetipo de aleacionescon el fin de plantearuna alternativaa lo queseconocecomomagnetorresistenciagigante. 4.1 Preparación de las muestras Se han preparadomuestrascon estructura de multicapa, de composiciones Ni/Co, Ni/A8 en un amplio rango de espesoresde las diferentesbiláminas constituyentes.Con el fin de unificar la nomenclaturade lasmuestrasdescritasa u — Capítulo4. MulticapasdeNi/Co lo largo de estecapítulo, se designacadauna de ellas como (AxByt. A y B representanlos elementosde cadabilámina, x e y el espesoren A de cada elementoy, finalmente, n representael número de biláminas que fonnan la multicapa. Hay que hacernotar que en la literatura sobreestetema, se suele emplearel término capaparadesignardosconceptosdiferentes.Así, seusacon el significado de plano atómico, y también para nombrar cada uno de los elementosde lo que seconocecomo multicapa (multilayer) [1]. La confusión estribaen el hechode que cadauno de los elementoso capasde unamulticapa, normalmenteestáformadoporalgunadecenade planoso capasatómicas.Por lo tanto, a lo largo de estamemoria, aunquese seguiráutilizando el término ya generalmenteaceptadode multicapa,seutilizará el término láminapara designar a suselementosconstituyentes. Los estudiosque a continuaciónse describense han llevado a cabosobredos seriesde muestras,todasellas fabricadasen el Instituto de MagnetismoAplicado, Laboratorio“SalvadorVelayos”, mediantela técnicade pulverizacióncatódicaa temperaturaambiente.La técnica de pulverizaciónempleadatanto para el Co comoparael Ni ha sido radiofrecuenciamagnetrón,con una potenciade 300 W. Para la deposiciónde la plata se empleó el modo DC magnetrón,siendo la potenciade deposiciónde 100W. Tantoen un casocomo en otro, la atmósfera de descargaeraargón de calidadN-5S, a unapresiónconstantede 5x103 mbar. El vacio previo que se alcanzabaen la cámaraera aproximadamentede 10~ mbar.La distanciaentreelectrodosera de 100 mm. En estascircunstancias,los rendimientospara los distintoselementosson los siguientes: 14.3 Ms para la plata,0.7 Ms parael cobaltoy 0.8Ms parael niquel. La estructurade multicapa se ha obtenidomediantedeposiciónalternadadesde uno y otro blanco.En todoslos casos,seutilizaron blancoscomerciales(marca CERAC),deforma circular, de 100 mmdediámetroy 7 mmde espesor. Como sustratossehanutilizado obleasmonocristalinasde silicio con orientación (111). Primeraserie La primeraseriedemuestrasconstadedossistemasdemulticapas: - Sistema ferro (baja 13-ferro (alta 13. Se crecieron multicapas de composición(Ni~Coi 50)4o,dondex variabaentre25 y 100 A. - Sistemaferro (bajaTJ-para.Se fabricaronmulticapas(Ni~Ag150)40conel mismorangodevariaciónen x queen el casoanterior En estesistema,sehaprestadoespecialatencióna la variaciónde las propiedades magnéticascon la temperatura.Así, se pretendecompararsu comportamiento con el de las muestrasnanocristalinasen forma de cinta obtenidasmediante enfriamiento ultrarrápido y posterioresrecocidos. Deste el punto de vista geométricoy composicional,los sistemasen forma de multicapasonmuchomás sencillos y controlados,lo que permite aislar de una maneramás sencilla, la 79 u — Capitulo4. Multicapasde Ni/Co influencia de las diversas propiedadesestructuralesen el comportamiento magnético. Segunda serie Sobre la segundaserie de muestrasse ha llevado a cabo un estudio de sus propiedadesmagnetorresistivas.Además,una de estasaleacionesseha utilizado como núcleo de un sencillo dispositivo sensor de campo magnético. La composicióngeneralde estaserierespondea la expresión (Ni~Co~)4o.dondex e yvaríanentre25 y5OA. 4.2 Caracterización estructural 4.2.1 Difracción de rayosX La caracterizaciónestructuralde las muestrasse ha flevado a cabo mediante difracción de rayos X. Seha utilizado en todoslos casosla configuración &28, de forma que el haz emitido y el detectorseencontrabanen todomomentoen posiciónespecularcon respectoa la muestra.De estemodo,y en virtud de la ley de Bragg, se recogenlos máximosde difracción correspondientesa los planos paralelosalplanode la muestra.El estudioseha realizadotanto a bajoscomo a altosángulos. Bajosángulos En un sistemaheterogéneocristalinoen forma de multicapaexistenal menosdos tipos de periodicidad.Porunapartela periodicidada escalaatómicapropia de la estructuracristalinay por otra, la periodicidadartificial que selogra mediantela deposiciónalternaday controlada de elementosdiferentes. Mientras que el periododela primeraestípicamentede unospocosA Wor ejemplo,el parámetro de red del Ni cúbico es de 3.5338A), el periodode las multicapasutilizadasen este trabajo es de decenas de A. Las posibilidades experimentalesdel difractómetro utilizado (el cual se describe en el capítulo de Técnicas Experimentales)hacenqueel mínimo ángulode trabajoseaaproximadamentede 8=0.4grados,por debajodel cualel propiohazincidenteemnascaratodotipo de reflexión. Esto correspondea una periodicidaddetectableen primer orden de difracciónde unos110k. Porestarazón,la caracterizaciónmediantedifracción a bajoángulosólo sepuedellevar a cabosobrela segundade las seriesde muestras fabricadas. La figura 4.1 muestralosdifractogramasa bajoánguloparamulticapasdeNi/Co, cuya periodicidadvaría entre 100 y 50 A. En ninguno de los difiactogramas representadosseha realizadoningúntipo de tratamientonuméricode suavizado de las curvas.El tamañode pasoangulardel goniómetrodel difractómetroerade 0.0030, y el tiempo duranteel que se recogíandatos en cada paso,de 24 80 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co segundos.Aparecencon nitidez los picos de periodicidadde la multicapa, a ángulosque serelacionancon la longitud de cadabilámina elemental(50, 75 y loo A respectivamente). Esdifldil realizarun análisiscuantitativodetalladode la estructurade la multicapa apartir de estosdifractogramas,debidoal pequeñocontrastede dispersiónentre el Co y el Ni. Sin embargo,el hecho de que lleguena aparecerpicos hastade tercerordende difracción, indica quela modulaciónen la composiciónquímica de la muestra es suficientementeabrupta,y da cuenta de la calidad de las interfhses. Dado que las muestrasde ambasseriesse han preparadobajo las mismascondicionesde fabricación,sepuedeconsiderarque todas ellasexhiben las mismaspropiedadesde interfase. d o u 5 20 (grados) Figura4.1. Difractogramasabajoánguloobtenidosen multicapasde Ni/Code diferentesperiodicidades.Seobservacomoel hazincidente tieneuna amplitud aproximadade 2e=O.8grados, lo que liniita el valormáximode periododetectable. En la referencia [2] se presentanresultadospara sistemassemejantes,pero crecidosmedianteun métododiferente,epitaxiade hacesmoleculares,conel que se consigueun mayor control sobre la deposiciónde los materiales.En esas condiciones,paraunamulticapade periodicidad89 A, seobtienentambiénpicos de difracciónhastade tercerorden. La tabla 4.1 suinarizala posiciónde los máximosde los diferentespicos a bajos ángulos,así como el cálculo del periodo al que correspondecada uno de los máximosde los diferentesórdenesde difracción. 1 2 3 4 81 u — Capítulo4. Multicapasde Ni/Co Tabla 4.1. Resumende los difactogramasa bajo ángulo de las multicapasde Ni/Co correspondientesalasegundaseriedemuestras. Muestra n Jj3Q2~j d(A) 1 l.V 73.6 2 2.10 84.1 3 30 89.3 (Ni50Co50)40 (Ni25Co50)40 2 2 1.650 2.70 54.5 65.4 (Ni,5Co,440 1 2.l5~ 41.1 Los resultadosque semuestranen la tabla reflejan una apreciabledispersiónen los valoresdel periodo de la multicapa, dependiendodel orden de difracción usadoparael cálculo.Además,aparececierta desviacióncon el espesornominal de cadabiláminaelemental.La expresiónutilizadaparala obtencióndel periodo, d esla bienconocidaley de Bragg: 2dsenO=n2 (4.1) dondeOesel ánguloparael que aparecemáximo de difracción,n es el orden de difracción, y 2=1.509 A, la longitud de onda de la radiaciónX utilizada. Si consideramosuna incertidumbre AO en la determinación del máximo de difracción,el error en el cálculodelperiodo,Advendrádadopor: 2 cosO Ad=— AO (4.2) 2 sen 2O Si consideramosun máximo de difracción situadoen 28=20y una incertidumbre en su medida de A8=0.20, el error en la determinacióndel periodo será aproximadamentede 9 A. Si se consideraun máximo en 28=10 con una indeterminaciónde solamenteA 9=0.10, elerror en dseráde 17k. Segúnesto,la dispersiónde valoresque semuestraen la tabla4.1 entradentrode un intervalo de errorexperimentalrazonable. Por lo tanto, se puede concluir que los difractogramasde rayosX que se muestranen la figura 4. 1, son una clara indicación de que se ha conseguido fabricar multicapasmetálicasde la suficientecalidad, en lo que se refiere a lo abrupto de la composiciónqulinica en la interfase,como para serconsideradas como sistemas heterogéneoscon sus componentesbien diferenciados y controlados. 82 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co Altos ángulos En la figura 4.2 se reproduce el espectro de rayos X a altos ángulos, correspondientea una multicapa de composición (Ni50Co50)40. También se presentanla posicióny la intensidadrelativade las reflexionescorrespondientesa muestraspolicristalinasaleatoriamenteorientadasde Co cúbicocentradoen las caras(lineascontinuas)y de Ni cúbicocentradoen las caras(líneasdiscontinuas). El difractogramaobtenidosepuedeindexarsegúnestasreflexiones.El pico que aparecea 28 -~ 28.50 se asignaa la reflexión (111) del Si (recordemosque el sustratoesprecisamenteunmonocristalde Si conestaorientación). ¡ O) u 2e (grados) Figura 4.2. Difractogrania a composición(Ni50Co50)40. Las de diftacciónparaCo cúbico parael Ni cúbicofcc. altos ángulos de una multicapa de lineascontinuasrepresentanlos picos fcc y las discontinuaslas reflexiones El pico más intenso, que aparecepara 29 — 44~50, es el pico central de la multicapa [3], que correspondea una media ponderadade los picos de las refraccionesde losplanos(111)del Ni y del Co. La configuraciónO’29 en la que se han realizado los diifractogramas, recoge las difracciones de los planos paralelosal plano de la película.Así, el hechode que las alturasde los picos correspondientesa las reflexiones(200), y sobretodo a la (220), con respectoa la altura del pico (111) seanmenoresque las teóricaspara el policristal, indica 20 30 40 50 60 70 80 90 83 u — Capítulo4. MulticapasdeNi/Co que la muestraha crecidocon sus cristalesorientadospreferentementecon el eje (111)en la direcciónde crecimiento. La expresión4.3, conocida como ecuaciónde Scherrer,permite determinarla longitud de coherenciacristalina~ (magnitudque se relacionacon el tamañode grano cristalino) correspondientea una reflexión centradaen 9, a partir de la anchuraa mitad de alturadel pico,A(20, y la longitud de onda2 de la radiación utilizada: 0 924— . (4.3) — A(20)coso Aplicando esta fórmula la reflexión (111) de la multicapa, se obtienen los resultadosque semuestranen la tabla 4.2. Si se tiene en cuentaque el espesor total de las muestrasvaríaentre2000 y 4000A, se compruebaque las muestras no son monocristalinasen la dirección de crecimiento, si bien la coherencia cristalinaseextiendealo largode variasbiláminas.Estasituacióncorrespondeal caso en que 4>A descritaen el capítulo de TécnicasExperimentales(A es el espesorde la biláminaelemental) Tabla 4.2. Posiciónde las reflexiones(111), susanchurasa mitadde altura y la longitud de coherenciacristalina en la dirección de crecimiento. Muestra 29 A(2~ LAXAS (Ni50Co5<040 444350 0.38570 225 (Ni,~Co50)40 444570 0.49790 172 (Ni2jCo~44p - 444330 2_0.4404v 194 La figura 4.3 muestrael difractogramapara altos ánguloscorrespondientea la muestrade composición (Ni25Co25)40. Dado el menor espesortotal de la multicapa,la intensidadde la reflexión (111) del Si esmáspatenteque en el caso antenor. Evolucióncon la temperatura El gruesode la caracterizaciónmagnéticade las muestrascorrespondientesa la primeraserie, seha llevado a caboa temperaturasuperiora la ambiente.Partede las conclusionesque seobtienende los datosexperimentalessefundamentanen el hecho de que la muestraposeeuna estructuraheterogéneaen forma de multicapa. Por ello, se hacenecesariocomprobarque durantela medidacon la temperatura,no sepierdela periodicidadespacial,en especialen las muestrasde Ni/Co al tratarsede elementosmiscibles. 84 500 400 5’ o E- 300 200 100 o Figura4.4. Gráficostemperatura-tiempode cadatratamientotemuco. La temperaturacon quese designacadatratamientocorrespondea la temperaturaaproximadade la zonaplana. -e -e ca O> 26 (grados) Figura 4.5. Difractogramasa bajo ángulode una mismamuestrade composición (Ni25Co25)40 sin tratar y tras sucesivos tratamientos térmicos. 1 2 3 4 0 10 20 30 (mm) 86 ~3apítulo4. MulticapasdeNt/Co En la figura 4.5 sepresentanlos difractogramasa bajo ángulode la muestrasin tratar y despuésde cada tratamiento. Se observa la aparición del máximo característicode la multicapaen un ángulo que correspondea una periodicidad espacialalrededorde 50 A. Se compruebacomo la estructura de multicapa no desaparece,ni siquiera despuésde los cuatro tratamientossuperpuestospara esta muestra con un periodoespacialde tansolo 50 A. Esto nospermiteasegurarque, de producirse unadegradaciónde la interfasepordifusión o aleadode los componentes,estano llega a afectarauna fracciónmayoritaria del espesorde cadalámina (25 A). De estamanera,dadoque las muestrassobrelas que se hanrealizadolos estudiosa alta temperaturatienen un periodo espacialcuatroveces superior, se puede inducir que no se destruyesu estructurade multicapa duranteel procesode medida. 4.3 Caracterización magnética 4.3.1 Comportamientomagnéticoa altastemperaturas En esteapartadoseestudiala evoluciónporencimade la temperaturaambiente, delaspropiedadesmagnéticasde las multicapasfabricadas.Estetipo de estudios se ha llevado a cabo con asiduidaden otras clasesde sistemasmagnéticos heterogéneos,fundamentalmenteen sistemasnanocristalinosobtenidosa partirde tratamientostérmicossobreuna aleaciónamorfa [4-6]. La propianaturalezadel proceso de obtención y la complejidad composicionaly estructural de estos materiales,dificulta enormementela interpretaciónde los fenómenosa los que da lugar su estructuraheterogénea.Así, a diferencia de en aquellos, en los experimentos descritos en esta memoria se puede alcanzar un mayor conocimientodela estructura,composicióny geometríade cadaunade las fases, lo que permite avanzarun poco más en la clarificaciónde su comportamiento magnético. Los trabajosrealizadossobrematerialesnanoestructuradosobtenidosa partir de aleacionesamorfas fabricadas por enfriamiento ultrarrápido, se resumen a grandesrasgosa continuación: - El material heterogéneose obtiene a partir del tratamiento térmico aplicado a una aleación amorfa homogénea. Están constituidos básicamentepor dos fasesmagnéticas,los precipitadosnanocristalinos (ricos en Fe) de alta temperaturade Curie, y la matriz intergranular amorfa.Estafasepierdecontenidoen hierro durantela cristalización,lo quesemanifiestaen un descensode su temperaturade Cuñe. - La evolucióncon la temperaturade la imanaciónde saturaciónpermite determinarla temperaturade Curie de la interfase amorfa, la cual no 87 E — Capítulo4. Multicapasde Ni/Co coincide con la de una aleación amorfa homogéneade la misma composición. - La evolución con la temperaturadel campo coercitivo no exhibe el decrecimientomonótonoqueseobservaen materialeshomogéneos. Para realizareste estudiode evolución de las propiedadesmagnéticascon la temperatura,se han utilizado las muestrasde la primera de las series; las dimensionesde las láminasen estaserie, son asimilablesa las distanciastípicas que caracterizana los materialesnanocristalinos.Así, en aleacionesamorfhsricas en hierro con adicionesde Nb y Cu sehan calculadolos tamañostípicos de los cristalitosque precipitancomo consecuenciade los tratamientostérmicos y la distancia media de separaciónentre los mismos [7]. El primero de estos parámetrosseha calculadoa partir del ensanchamientode lo picosdel diagrama de difracciónde rayosX. La distanciaentregranossepuedeestimarsi ademásse conocela fracción de muestracristalizada,dato al cual se accedemediante espectroscopiaMóssbauero medidasmagnéticas.Los tamañostípicos de los nanocristalesoscilanalrededorde los 20 mn, con la particularidadde que este tamano no varia excesivamentea lo largo de las distintos estados de cnstalización. Básicamente,a través de los distintos tratamientos térmicos aumentala fracción de muestracristalizada,o lo que es lo mismo, aumentael númerode nanocristalesy, por lo tanto, disminuyela distanciaentreellos. Este parámetroosdilaentre20 nmparalos primerosestadosde nanocristalización,y 8 nm para los más avanzados(posteriores tratamientostérmicos inducen la aparicióndedistintasfasesqueno seconsideranen esteestudiocomparativo).En los experimentosdescritosa continuación,el papel de fasecristalinade elevada temperaturade Curie lo desempeñalas láminas de Co, cuyo espesorseconserva constantecon un valor de 150 A. Como fase de baja temperaturade Curie, haciendolas funcionesde matriz amorfa,seutilizan láminasde Ni con espesor variableentre25 y 100A. 4.3.1.1 Imanaciónde saturacióna alta temperatura En la figura 4.6 se esquematizalo queseríala evoluciónde la imanacióncon la temperaturadeun sistemamultiiffisico constituidoporunafaseA, detemperatura de Curiealrededorde 10000C, y un sistemaB conT0 de 3500 C. El momentoa temperaturaambientecorrespondientea la faseA esseisvecesel de la IbseB. Se aprecia cómo en la temperaturade Curie de la fase B, apareceun marcado cambio dependienteen estacurvacorrespondienteal sistemaA+B. En principio, a una determinadatemperatura,paraun sistemamultifisico dondex e y serelacionancon elvolumende cadafase,la imanacióndeberíaser, MA4B = xMA+yMB (4.4) x+y 88 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co 1.0 0.8 ~ 0.6 4.> 1-. OA 0.2 0.0 0 300 600 T (OC) Figura 4.6. Representaciónde la evolución de la imanación de saturacióncon¡a temperaturadeun sistemamultifásicoKB. En la tabla4.3 serecogenlos valoresde imanaciónde saturacióny temperatura de Curieparael Co y el Ni atemperaturaambiente[8,9]. Tabla4.3 ParámetrosmagnéticosdeNi y Co. T~ esla temperaturade Cuñe,o la imanaciónespecíficay 47rM~ la imanaciónde saturación, ambasatemperaturaambiente. 900 1200 CCo 354.2 55.09 63941115 164.8 17870 Segúnestosparámetros,la curva representadaen 4.6 correspondería,de forma aproximada,a un sistema heterogéneoconstituido por Ni y Co, en el que el volumende Co fuerael dobleque el de Ni. Algunasde lasmuestrasestudiadasse aproximana estarelaciónnominaldevolúmenes. El análisisde la evoluciónde la imanaciónde saturacióncon la temperatura,se divide en dospartes,evolución de su temperaturade Curie y desumomento magnéticocon el espesorde las láminasdeNi. 89 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co O> o 20 30 40 50 60 70 80 90 20 (grados) Figura 4.3. Difractograniaa altos ángulos de una multicapa de composición(Ni25Co50)40. Tal y como se mencionaen este mismo apanado,no es posible determmar medianteel equipo de difracción de rayosX utilizado, la periodicidadde las multicapasde la primera serie. Por lo tanto, el estudiode la influencia sobrela interfase de las altas temperaturasse ha realizado sobre una muestra de composición(Ni25Co25)40. Tampocoesposible la monitorizaciónin situ de la estructuradurantela medidamagnética.De estaforma, seha optadoporsometer a una misma muestrade la composicionque arriba se indica, a tratamientos térmicosconsecutivos,que en conjuntosuperanel tratamientotérmico global al que se sometea cada muestra durante cada medida magnética(el sistema alcanzabauna temperaturade 4000 C en menosde 50 minutos). La figura 4.4 indica la temperaturay el tiempo correpondientea cadatratamiento.En todos ellos la muestrasemanteníaen una atmósferade flujo constantede argón, de igual maneraque durantelas medidasmagnéticas.A grandesrasgosconstande tres etapasde aproximadamente10 minutos cada una. La primera de ellas correspondea la subida de la temperatura,la segunda es unintervalo a temperaturaconstante,y la terceraes la bajadahastala temperaturaambiente. Cadatratamientosenombracon el valor aproximadode la temperaturade la segundaetapa,aunque,enningún momento,a la vista de la gráfica 4.4 sepueda hablarde recocidosisotérmicos. 85 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co En cuantoala temperaturadeCurie delNi (a partir de ahorala denotaremospor TNi), se observaque practicamentetiene el mismo valor en ambasmulticapas (alrededorde 3550 C, queesla temperaturade CuriedelNi masivo). En la figura 4.8, sepresentael mismotipo de medidasparamuestrascon 50 A de Ni. En estecasoseobservandiferenciascualitativasimportantescon respectoa la muestraanterior. 9500 2000 9000 1500 0 8500 1000 ~ 8000 e 500 7500 7000 0 600 T(0C) Figura 4.8. Evolución con la temperatura de la imanación de saturaciónde (Ni 50Co~50)40y (Ni50Ag150)40. La característicamásreseñablede estosresultadosesque,para ningunade las dosmuestras(Ni50Cojy0J40y(Ni5~4g¡5<) 40 TNÍ coincidecon la temperaturade Curie delNi masivo.Parael casode la muestraconplata, ‘~N¡ estápordebajode los 3540 C, mientrasque en la muestracon cobaltoestáclaramentepor encima. La figura 4.9 muestrala comparaciónentrela evolucion de la imanacióncon la temperaturade las muestrasde cobalto anteriormentepresentadas.Las flechas indicanla posiciónde TNi en cadaunade lasmuestras. Se ha llevado a cabo una caracterizaciónsimilar para otros espesoresde las láminasde Ni. Los resultados,en lo que conciernea la evolución de TN¡ en funcióndel espesorde Ni (quesedenotapor ‘Ni) y de la naturalezade las láminas adyacentes,sedetallaen la figura 4.10. 0 200 400 91 Capitulo 4. Multicapasde Ni/Co 1.0 E 4> 0.9 - 0.8 - o Figura4.9. Comparaciónentreel comportamiento (Ni100Co150)40y (Ni50Co150)40. 420 400- 380 u E- 360 - 340- 320 300 280 25 50 ‘75 600 de las multicapas 100 4~, (Á) Figura4.10. Temperaturade Curie del Ni en multicapa,en función del espesordeNi y de lanaturalezadelas láminasadyacentes. @4i,0Co150)40 (I’4i100Co150)40 200 400 T (0C) NiCo NiAg 92 ¡ — Capítulo4. Multicapasde Ni/Co El comportamientodelNi cuandoforma partede multicapasdel tipo Ni/NM, en las que NM representaun elementono magnético,seha estudiadoampliamente con anterioridad.Así, en la referencias[10] y [11] encontramosestudiossobrelas propiedadesde sistemasNi/Ag en una amplia variedad de espesoresde Ni. Tambiensehanestudiadolos sistemasNi/Cr [12] y Ni/Au [13]. En todosellos se describeuna disminuciónde la temperaturade Curiedel Ni cuandoelespesorde las láminasque constituyenla multicapadesciendepor debajode 100 A, y se describeen todoslos casosunaevolución muy similar a la que se presentaen la figura 4. 10. En la mayoría de estos trabajos, se apunta como origen del decrecimientode la temperaturade Curie, el debilitamientodel ordenmagnético conformedisminuye el espesorde Ni. Medidasrealizadassobremulticapasde Ni/Cr conespesoresde Ni inferioresa 20 A, establecenun espesorde 8 A como limite por debajodel cualel Ni deja de exhibirferromagnetismo.A partir de este dato, se predice que los primeros planos atómicos de las intercarasde las películas de Ni, son ferromagnéticoscon muy débil imanación, o bien no magnéticos.Esta láminas “magnéticamentemuertas”, tendrían un espesorde aproximadamente4 A. El ordenmagnético,como todo fenómenocooperativo, dependedrásticamentede la dimensionalidaddel sistema. Así, conformeun sistema(en estecasoel Ni) evolucionadesdela tridimensionalidad(representada por el Ni masivo o por multicapasde espesorde Ni superiora 100 A) hacia la bidimensionalidad(unalámina constituidaporun solo plano de átomos,o según la referencia[12], una multicapa con espesorde Ni inferior a 8 A), la intensidad delas interaccionesde canjeresponsablesdelordenmagnéticova disminuyendo. Por el contrario, cuando el otro elementoconstituyentede la multicapa es un elementoferromagnético,como esel casodel Co, cabeesperarun reforzamiento delmagnetismoen elNi, que setradujeraenun mcrementode sutemperaturade Curie. La figura 4.11 representael incrementode TN¡ que seproduceal sustituir el elementono magnético(en estecasola plata) por el cobalto, en función del espesorde Ni. Por lo tanto, el tamañode un sistemamagnético,cuandoésteesdel ardende unasdecenasde planosatómicos,no esel único factor que modifica el valor de su temperaturade Curie. La naturalezamagnéticade las fases colindantes tambiénesun factordecisivo. Sepuedeconsiderar,a grandesrasgos,que el valor de la temperaturade Curie de un sistemamagnéticoesindicativo de la magnitud de las interaccionesde canje entre sus momentoselementales,los cualesse cuantifican medianteel llamado campomolecular. De esta manera,se puede asumirque el fenómenode aumentode TN¡ que se encuentraen estasmulticapas de Ni/Co se relacionacon un aumento de campomolecularpromedio en las láminasde Ni. 93 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co 25 50 75 100 80 60 ~ 40 E- 20 o ‘Ni (A) Figura 4.11. Aumento de la temperaturade Curie del Ni en multicapasNi/Co respectoa muestrasAg/Ni con espesoressimilares de Coy Ag, enfunción del espesordeNi. Consideremosun sistema magnéticoheterogéneocompuesto,por simplicidad, por dos fasesA y 13. Se pueden distinguir tres constantesde canje: i) la correspondientea losátomosen el interior de la fiseA, que denotamoscomo u) la de losátomosde la faseB, que denominamos.4 y iii) la constantede canje de los átomosde la interfase, que tendrá un valor intermedio entre los dos anteriores.En el caso de multicapascomo las que estamostratando,la constante de canje varía localmentesegún nos desplazamosa lo largo de la dirección perpendiculara la superficie. Llegadosa este punto, podemos introducir el conceptode anchurade canjede la interfase(ACI), como la distanciaa la cual la constantede canjelocal en el material cambiadesde~A hastaJ~. A pesarde que la interacción de canje entre los momentos de un sistema ordenado ferromagnéticamenteadquiereunos valores elevadosen términos de campo molecular(del ordende 1000 T), su longitud de alcanceespequeña,situándose en un par de distanciasatómicas [14]. Dentro de este orden de magnitud se situará,por lo tanto,la anchurade canjede las interfasesen un sistemamagnético heterogéneo.A pesardelpequeñovalor de ACI, su influenciaen las propiedades magnéticasmacroscópicasserátanto máspatentecuantomayor seael volumen de átomosen las interfasesen relacióncon el volumentotal de la muestra.Son 94 u — Capítulo4. Multicapasde Ni/Co los sistemasheterogéneos,talescomo los amorfoscristalizadosy las multicapas que aquí se estudian,los que presentanuna relación entrela superficie de las intercarasy el volumen de la muestralo suficientementealta comoparaque la ACJ alcancevaloressignificativos. Dos factoresimportantescontribuyena ACI: - La estructurade la interfase:la rugosidady la interdiflisión en la interfase conduciríaa un gradientede composicionesa lo largo de la dirección perpendiculara la interfase ideal. A pesar de que los resultadosde difracción de rayosX de las figuras4.1 y 4.5 muestranla existenciaclara de periodicidad,siemprees de esperarla presenciade un gradientede composiciones. - Interaccioneselectrón-electróna través de la interfase. Está bien establecidoque, en multicapasde materialesferro-paramagnéticos,las interacciones de canje se propagan a través de los espaciadores paramagnéticosmediantepolarizaciónelectrónica,incluso en el caso de interfasesideales[15] Enprimeraaproximación,un materialmagnéticoalcanzasutemperaturade Curie cuando la energíade agitación térmica es lo suficientementealta como para superarla energíade ordenferromagnético.Esto se puedecuantificara travésde la expresxon: PBBmnoI = (4.5) donde~ esel magnetónde Bohr, Bmo¡ esel campomoleculary k es la constante de Boltzman. En el Ni, el incrementode la temperaturade Curie, AT~ alcanza hastaun valor de 750C para1N1=25 A. Estosvaloressupondríanentoncesque el contactocon las láminasde Co equivalea un incrementodel campomolecular promedio, 411moí’ del orden de 100 T. Este valor de ABmoí, tal y como se mencionacon anterioridad,sepodríaatribuir a la formaciónde aleacionesNi-Co a lo largo de la interfase, (la temperaturade Curie del material en la interfase variaríadesdela delCo hastala delNi siguiendounaley prácticamentelineal [8]) La otra posibilidad seria la penetracióndel campomoleculardel Co en el Ni mediantepolarización de los electronesde las láminas de Ni. Como el campo moleculardel Co a temperaturaambientees del orden de 1000 T, un promedio de 100 T en láminas de Ni dc este espesor,se puedeobtenersin más que considerarque el decaimientoexponencialde la interacciónde canje tienelugar en una sola distanciaatómica.Un análisis teórico detalladode estosfenómenos de interacciónferromagnéticaen materialescompuestospor fasesde diferentes temperaturasde Curie sellevaa caboen la referencia(16]. Momentomagnético La degradaciónde las propiedadesmagnéticasen el Ni, cuandoforma partede multicapasNi¡NM, a medidaque disminuyesu espesor,no sólo semanifiestaen 95 u — Capítulo4. MulticapasdeNi/Co la disminución de su temperaturade Curie, sino también en la bajada de su imanación[12, 13]. En estostrabajosserecoje la existenciade una dependencia lineal de la imanaciónde saturacióncon el inverso del espesorde las láminasde Ni. Esta dependenciase deducedel modelo de zonasde Ni “magnéticamente muertas”. ConsidéreseMONI como la imanación del Ni masivo, y MS,NI la imanaciónde saturacióndel Ni cuando estáformandopartede multicapasdel tipo Ni/NM. Supongamosque existeuna lámina “muerta” de valor l,,12 a cada ladodecadaláminade Ni y que el restode átomosde la láminaposeeun valorde momentosimilar al del Ni masivo. La fracción de átomosen cadalámina con un momentosimilar al delNi masivoseráentonces(-lflNi). De aquí se deduceque dentro de estemodelo de láminas “magnéticamentemuertas”, la imanaciónde saturaciónvendrádadapor: (4.6) Estadependencialineal de la imanaciónde multicapasdel tipo Ni/NM se muestra en la referencia[13] paramulticapasde NI/Au. 0.7 0.6 - o U 0.5 0.4 0.3 0.2 25 50 75 100 ~Ni (A) Figura4.12. Evolución del cocienteMNI/MC,,. con el espesorde la láminadeNi, ‘N~ En la figura 4.12 se representael cocienteentrela imanacióncorrespondienteal Ni y la correspondienteal Co paradistintasmulticapasNi/Co, en fimción de 1Ni• La imanaciondel Ni seha estimadoa partir de la caidade momentode cadauna t. (MNI/ M 00 )Mas¡vo 96 Capítulo4. MulticapasdeNi/Co de las muestrasdesdetemperaturaambientehastaTNi. El momentorestantea estatemperatura,ha servidoparaestimarla imanacióndelCo. La diferenciaentre la imanción de saturación del Co a temperaturaambientey a 3500C es de aproximadamenteun 4 % [8]. A pesar de ello, la gráfica indica que se está sobrestimandoel valor del momentodel Co, al quedarincluido en su valor el “momento del ruido” procedentedel portamuestras,sustrato,adhesivode alta temperatura,etc.Esteruido de fondo sehacemáspatenteen las medidasa alta temperatura.La necesidadde que el entrehierrodel electroimánseamásancho para dar cabida al dispositivo calefactor, disminuye la sensibilidad del magnetómetroal aumentarla distanciaentre las bobinasdetectoras.Mediante esta representacióndel cociente de imanacionesse elimina el posible error procedentedela determinaciónde la superficiede la peliculaque semide. Si aplicamosa las multicapasNi/Co un razonamientosimilar al utilizado en las muestrasNi¡NM, podemosconsiderarqueen un espesor4, a ambosladosde las láminasde Ni, ésteposeeun momentosimilar al del Co. Si denotamosporMoco la imanaciónde saturacióndel Co, sepuedeescribir que el momentode cada lámina de Ni constade dostérminos,Moco(4,/l~i), correspondientea la fracción de átomosen la láminas externas, y MONi(l-l<,/INÍ), que tiene en cuenta el momentodelos átomosinterioresa la lámina de Ni. La imanaciónde saturación del Ni cuandoforma partede una multicapa de Ni/Co tendríapor lo tanto la siguienteexpresíon: M~ ~ (4.7) 1Ni Al igual que en el caso de las multicapasde Ni/NM, también apareceuna dependenciaconla inversadel espesorde lasláminasde Ni. La magnitudque se representaen la figura 4.12, MN/Mc<, tendría entoncesla siguienteexpresíon: MNi M 0N~ ( M~q) 4 , ____ _____ +11— ‘ ¡ M0,c0 Mo,co Y MO,CO ) ‘Ni (4.8) ¡ Segúnestaexpresiónexistendos valoresextremosde ‘Ni• El primero de ellos correspondea láminasde Ni de espesormuy grandecomparadocon la longitud 10,en cuyo caso,se obtendríala relaciónde imanacionescorrespondientea los materialesmasivos( de valor 0.35).Porotro lado, cuandoseveriflca que 1<, = 1Ni’ la imanaciónde las láminasdeNi seriaigual a la imanacióndel Co. 97 0.04 0.08 1//Ni (K1) Figura4.13. Evolución del cocienteMNÍ/McO ftente a espesordela láminadeNi, 111N[ la inversadel En la figura 4.13 serepresentanlos valoresde MNi/McO frente a la inversadel espesorde lasláminasde Ni. El puntonegrorepresentael casoextremoen el que el espesorde la lámina de Ni es precisamente1<,, y por lo tanto la razón de imanacionesdeberíaserla unidad. Siguiendolas indicacionesqueaparecenen la literaturaparasistemasNi/NM, se ha elegido un valorde lj8 A. 4.3.1.2Campocoercitivoa alta temperatura Además de la evolución del la imanaciónde saturacióncon la temperatura, también se ha determinadoel comportamientodel campo coercitivo, Hc, a temperaturassuperioresa la del ambiente,en las multicapasde Ni/Co y Ni/Ag. Para ello se han medido los ciclos de histéresisde las distintas multicapas manteniendoestabilizadala temperaturade la muestra.El campo máximo aplicadoen cadaunadeestasmedidasera suficienteparasaturarlamuestraa esa temperatura. La figura 4.14 muestrala evolucióndel campocoercitivo con la temperaturapara las multicapas (Ni¡ 00Co150)40, representadocon circulos huecos. y para concírculosnegros.En la muestrade Ni/Ag el campocoercitivo decrece,que es el comportamientotípico de esta magnitud. A medida que la temperaturaaumenta,la anisotropíay la imanaciónde saturaciónde la muestra disminuyen,y así lo haceel campocoercitivo,hastaque sealcanzala temperatura 1.0 0.8 o U 0.6 0.4 0.2 0.00 98 Capítulo4. Multicapasde Ni/Co de Curie del Ni, donde el material deja de presentarorden magnético.Sin embargo,no se observaun comportamientosimilar en la muestrade Ni/Co. Inicialmente,presentaunosvaloresde campocoercitivoy unaevoluciónsimilares a la composiciónanterior,pero afrededorde los 300v C, 14 comienzaa crecer conformeaumentala temperatura.Finalmente, se alcanzaun valor máximo a partir del cual serecuperala evolucióndescendente. 16 14 12 O> 2~ o 10 8 6 4 2 o 0 200 400 T (0C) Figura 4.14. Evolución del campocoercitivocon la temperatura(por encimade la temperaturaambiente),en las muestrasde composición ,consímboloshuecosy (Ni 100Ag150)40,con símbolos negros. Similar comportamientoal anteriormentedescritose observaen la figura 4.15. Aquí se representala evolución del campocoercitivo con la temperaturapara muestrassimilares,pero con un espesorde 50 A en las láminasde Ni. Sin embargo,el campocoercitivoparala multicapaNi/Co con elmenorespesor en las láminas de Ni, (Ni25Co¡50)40, exhibe un comportamientodiferente (Fig 4.16).Ademásde sermagnéticamentebastantemásdurasa temperaturaambiente quelas composicionesanterioresy quela correspondientemulticapacon Ag, no presentatramo crecienteni máximo relativo para el rango de temperaturas estudiado. 600 99 Capítulo4. Multicapasde Ni/Co 12 - 10 - O> 1~ 4.> 8- 6- 4- 2— O o ¡ ¡ 200 400 600 T (0C) Figura4.15. Evolución del campocoercitivocon la temperatura(por encimade la temperaturaambiente),en las muestrasde composición (Ni 50Co150)40, con símbolosvacíos y (Ni50Ag150)40, con símbolos llenos. 0 o e 0.200 es. 200 GXD cPDo~0 400 T (0C) Figura4.16, Evolucióndel campocoercitivoconla temperatura,en la muestradecomposición(Ni 25Co150)40. 00 e e e so O 0000 ci3 9 o e e e 50 45 40 0 O 0 O O> 9, o 35 30 25 20 15 10 5 e e e 0- o 600 loo u Capítulo4. Multicapasde Ni/Co Comportamientosanómalosdel campocoercitivocon la temperatura,similaresa los presentadosaquí,sehanobservadoen otrossistemasmagnéticosmultifásicos comonanocristales[6] y aleacionesmetaestables[17]. Taly comoseapuntóen la secciónintroductoriade estecapítulo,la influenciade la microestructuraen las propiedadesmagnéticasmacroscópicasde un sistema multifásico, está flmdamentalmentegobernadapor el grado de acoplamiento magnéticoentrelas diferentesfases.Esteparámetrose describea través de la razónentrela longitud de correlaciónde canjeL, y la longitud de fluctuación estructural,1 CuandoL esmayor que 1, el procesode imanacióntienelugar de maneracolectivaen todoel material,mientrasque si L¡4. En esta situación el puenteestádesequilibrado,y apareceráun voltaje entre los nodosa y c. Cuandoseaplica el campomagnético,el valor de R1 aumentay el de 14 disminuye.Deestemodoelpuentese aleja aúnmásdel equilibrio y aumentael valor del voltaje. Desdeun punto de vista magnetorresistivo,se puede decir que este sistema exhibe magnetorresistenciapositiva,puestoque el cociente(VII)0 aumentacon el campoaplicado. - R1<14. Aquí el puentetambiénestádesequilibrado.Al aplicarel campo,R1 crecey 14 decrece,y el puentetiendea equilibrarsecon la consiguiente disminucióndel voltajeentrea y c. El comportamientomagnetorresistivo en estecasoesnegativo,al disminuir (Vil)0 con el campomagnético.Si los valoresinicialesde Rí y 14 estánlo suficientementepróximos(el valor de la diferencia entre ambosvalores es menor que la suma de sus variacionesmáximas entre el estado desimanadode la muestray su saturación),existeun campomagnéticoparael cualel puentese equilibra, con lo que apareceun voltajenulo entrelos nodosa y c. A partir de este punto, si se sigue aplicando campomagnético,el sistema exhibirá un comportamientomagnetorresistivopositivo. - R1=¡4. Inicialmenteel puenteestáen equilibrio y no aparecevoltaje entre los contactosa y c. Al aplicar el campo magnético,el puente se desequilibraal variar en distinto sentido la resistenciade sus ramas. El sistematiene un comportamientomagnetorresistivopositivo (el cociente 114 u — Capítulo4. MulticapasdeNi/Co (VII)0 aumentacon el campo). Esta situacióncorrespondea la máxima sensibilidadde la respuestadelsistemafrenteal campoaplicado. Las configuracionesen puentede Wheatstonese usanfrecuentementeen la construcciónde sensoresmagnetorresistivosconel fin de aumentarla eficaciadel dispositivo [24, 25, 26]. En estoscasos,se suelen emplearcuatro elementos magnetorresistivos(normalmentecuatropelículasdepositadassobreun sustrato). A continuación,dos de las películasmagnetorresistivasseapantallandel campo magnético externo mediante una lámina de material magnético blando lo suficientementegruesa.Las otras dos películasvan a constituir los elementos sensoresde campo magnético. Los cuatro elementosmagnetorresistivosse conectan en configuración de puente de Wheatstone,alternando películas apantalladascon no apantalladas.La presenciade un campomagnéticoexterno varíala resistenciade los elementosqueno estánapantallados,lo cualsetraduce en el desequilibriodelpuente. La figura 4.26 es una reproducciónde los sistemasque se describenen las referencias[24, 25, 26]. Este esquemaesla base de los productosque utilizan materialescon GMIR, y que son comercializadospor la compañíaNonvolatile ElectronicsInc. de Minnesota. Concentracióndecampo yVA in A B V GroundB Pantallas Sensoresmagnéticos Figura4.26. Reproducciónde laconfiguraciónen puenteusadaen los dispositivosde las referencias[24,25, 26]. Comoquedóapuntadoanteriormente,los materialesquepresentanmagnetorre- sistencia gigante suelen necesitar camposelevadospara cambiar de manera apreciablesu estado de imanación (los camposnecesariospara saturar estos materialespuedenllegar a serhasta de varios tesla).Además,los factoresde magnetorresistenciarealmentegigantesaparecennormalmentea temperaturas cercanasal helio liquido. De ahí la necesidadutilizar dispositivosen puentepara obtenerelevadosfactoresde magnetorresistenciaa temperaturaambiente,y de usar concentradoresde campo con el fin de aumentarla sensibilidad. Estos concentradoresconsisten en dos láminas planas de un material de alta u >->:~\‘ ~ SÓ s~~¾2 III ~ t~ u u ~ o~»:~4N~4 1 115 u — Capítulo4. MulticapasdeNi/Co permeabilidad,entrelas que sesitúanlos sensoresno apantallados(como indica la figura, este material también suele servir de pantalla para los otros dos elementos). Un sistema que se fundamenteen materialescon elevadamagnetorresistencia anisótropay configuracióncruzadade contactos,comoelquesepresentaen esta memoriacon multicapasde Ni/Co, presentaciertasventajascon respectoa los queutilizan materialescon (IIMR: - Aunque los factoresde magnetorresistencia,tanto longitudinalescomo transversales,no seantan altos como en el casode materialescon OMM, conunaconfiguracióncruzadade contactosy unageometríaadecuada,es posible obtenerfactores de magnetorresistenciamuy elevados. Este aumentodel factor de MR se obtienetambién en materialesOMIR con disposicionesen puentey pantallas magnéticas.En nuestro caso, se aprovechael caracteranisótropode la magnetorresistenciapara que la propia muestrase comporte como un puentede Wheatstone.Así, el posible dispositivo se simpliflca notablemente:no es necesaria la construccióndelpuentede medidani el apantalladode ningúnelemento. - Por otra parte, las muestras que aquí se presentanexhiben campos coercitivos y campos de saturación relativamentebajos, y no sería necesariala presenciade elementosconcentradoresdel campomagnético paraelevarla sensibilidaddel sistema. 4.4.5 Sensordecampomagnético A la vista de las propiedadesmagnetorresistivasque se consiguencon estaclase de materialesy esta configuración de contactos, se ha utilizado una de estas muestraspara la realización de un sensorde campo magnéticocon núcleo magnetorresistivo.En estecaso, la composiciónelegidaparala películaha sido (Ni25Co25)40. Segúnlo expuestoen los apartadosanteriores,y que queda plasmadoen la expresión4. 11, los mayoresfactoresde magnetorresistenciacruzadaseobtienen cuandola muestray los contactossonperfectamentesimétricos,estoes,cuando R1y 14 sonprácticamenteiguales.A fin de obtenerunamuestradeformacircular, se hapulverizadola multicapasobreun sustrato(obleade Si), cubiertocon una máscaraapropiada.La máscaraconsistía en una película plástica de pequeño espesor,en la que seha practicadoun orificio circularde 0.5 cmde diámetro.La películaperforadaseretira del sustratounavezrealizadoel depósito,con lo que se obtiene una película con forma prácticamentecircular. Los contactos,los cuales,a diferenciade en el sistemade medidaquese muestraen la figura 4.18 ahoravan a serpermanentes,sehanhechoconpinturade platae hilo de cobre. A continuación,se describeel circuito electrónicoqueutiliza el sensor,y quees uno de los mássimplesposible.Básicamenteconstade tres etapas(Figura4.27): 116 Capítulo4. Multicapasde Ni/Co - Generador de intensidad. Esta etapa genera una corriente eléctrica continua, independientedel valor de la impedanciade carga(fuente de intensidad).Para su realización, se aprovechala corrientedel lazo de realimentaciónde un amplificador inversor. Si se haceuso de leyes circuitales elementalesy de las propiedadesde los amplificadores operacionales[27], es fácil mostrarque, el valor de la intensidad1 que circula por el lazo de realimentaciónde un amplificador operacionalen estaconfiguración,no dependede la cargaen estarama,y sólo depende del valor del voltaje /~ y de la resistenciade entradaRgi. Con unos valoresde V0 12 V y Rgi = 3 kQ, seobtieneunacorriente continuaque fluye entrelos contactosa y c devalor1 — 4 mA. yo Figura 4.27. Sensorde campomagnéticocon núcleode materialde magnetorresistenciaanisótropay configuracióncruzadade contactos. El dispositivo electrónico consta de tres etapas: generadorde corriente,amplificadordeinstrumentacióny amplificador inversor. - Amp4ficadorde instrumentación.Estaetapaproporcionauna salida, que es proporcional a la diferenciade voltaje entredos señalesde entrada. [27] En nuestrocaso, tal y como se indica en la figura 4.27, la señalde entradaes la diferenciade voltajeentrelos contactosb y dde la película. El circuito empleado,con un solo amplificador operacional,es el más sencilloposible. En la referencia[27] sepuedenencontrarotros circuitos convarios amplificadoresoperacionales,e incluso existenamplificadores de instrumentaciónmonoliticos,comoelAnalogicDevicesAD521. H a b It Amplificadorde Amplificador instrumentación no inverasor Fuentede corriente 117 u • Capitulo4. Multicapasde Ni/Co - Ampl/ el ejeperpendiculara z’ y queestácontenidoen el plano formadoporz’, Me y. El eje x’ esperpendiculara los dos anteriores.De estamanera los ejes del sistema macroscópicoconstituido por la película, la dirección del campoy la tensión,sehan designadopor xyz, y los ejeslocales, referenciadosen el ejede anisotropíauniaxial local, por x’y’z’. En la figura A. 1 se representanambossistemasde coordenadas,así comola imanaciónM el campo y la tensiónaplicada. Se pueden distinguir dos casos que conducen a anisotropía macroscópica perpendicular: - Perfectoalineamientode los ejes fhciles localesrespectoal eje z de la muestra. - La orientaciónde los ejesfidiles locales fluctua alrededordel eje fLdil macroscópicoz. u — Apéndice.Anisotropíalocalymagnetostriccubn ZA ¡o a ~ / y x FiguraA. 1. Configuracióndeejesy vectores. En lo que sigue,se analizala relaciónqueexisteentrelosvalores2 y K obtenidos a partirdelmétodode la susceptibilidadinicial, con la intensidadde la anisotropía locál y los coeficientesde magnetostriccióncaracterísticosde la simetríade la estructurauniaxial. La energiamagnetoelásticareferida a los ejes locales de simetríauniaxial se puedenescribircomo: F= -o{ÁA{(al/J1 +aJ12) 2 —(a 1fi1 +a2/32)a3fl3J ±24(1— a~)(í—g~)—(atai+ (A.l) +Ác[(í a~)g~+(aj,í3~ +a2fl2)a3/33] +2DL(afil + donde a es la tensión de tracción aplicada,a1 y /3~ son, respectivamente,las componentesde la direcciónde la imancióny de la tensiónrespectivamenteen el sistemalocal de ejes,y 2A’ 2B’ Ác y 2n sonlos coeficientesde magnetostriccion. 127 E ¡ Apéndice.Anisotropíalocaly magnetostricción ¡ A.1 Ejes de simetría uniaxial local alineados. ¡ Supongamosque todas las unidadesestructuraleslocales estánalineadasde forma que los ejesz’ son paralelosal ejez. De estaforma fi1~fl3=0 y /32=1. La¡ expresiónde la energíamagnetoeléstica(A. 1) sereducea: ¡ F=—UÁA(l—afl (A.2) y la anisotropía macroscópica,K”’~ y la constante de magnetostricción¡ experimental4, obtenidasdelinversode la susceptibilidadsereducena: ¡ Kmac.==K y 2s~2A (A.3) A.2 Ejesde simetría uniaxial local con fluctuación de orien-¡ tación alrededor del eje fácil macroscópico. Consideremosahorael casoen el quelos ejesfadilesz’ formanun cierto ángulo9¡ con el ejez. Siguiendola figura A. 1, setomael eje de simetríalocaly’ en el plano definidopor el eje macroscópicoy y el eje thcil z’. Sea t~ el ánguloentre0 y la¡ dirección del campoy tensiónaplicados.De estaforma severifica la relación cosW=sen~en~Si no se consideranmovimientosde paredes,la imanaciónM rotaráun ángulo AW desdeel eje z’ haciael ejey, cuandoseapliqueun campo¡ AH y unatensióna a lo largo dey. Esteángulosepuedeencontrara partir de la mimmizaciónde las energíasZeemanEz, de anisotropíaFk y magnetoelásticaFm.¡ Lasexpresionesde estasenergíasson: ¡ Fz = ~poM 5AHco&P~AtP), FK Ksen2AT ¡ Fm = ~o{2Asen2W+2ccos2W)sen2AT (A4) —(~~)(2A +4 —ÁD)sen2AWsin2W Fm se obtiene de la ecuaciónA. 1, teniendo en cuentaque a1=cosAW, a2=0,¡ lt=coskF, y ~iO. Minimizando la suma de los tres términos energéticosse encuentraparaMP pequeño,tal y como correspondela rangode susceptibilidad¡ inicial delos camposaplicados: = h(ojsen’f—aScosWsen’P (AS)¡ l+h(a)cos’P ¡ ¡ 128 E Apéndice.Anisotropíalocaly magnetostricción donde h(a)~~éL¡oMAH«1, T T= 2K~o{2Asen2W±2ccos2W), S=(%)(2A +4 —RD)sen2W. La variaciónde la imanacióna lo largodelejey vienedadapor: AM,, =M~AWsen’P. Comoh(ayscl,sepuedenhacerlassiguientesaproximaciones: 1 __________ = l—h(a)cosw, l+h(a)cos”f h(a)=h(0)+ a{áAsen2.P+Áccos2~P) 2K Si se toman en consideraciónlas relacionesA.8 y la ecuaciónA.5, AM,, viene dadopor la siguientesuma: AM» =M h(0) 2K/ \ 2 ja Y 2K) Li1A2L2K~flA A3ÁA +A42c) + 2C (A.6) (A.7) (A.8) +A62c), donde (K9) 129 E — Apéndice.Anisotropíalocaly magnetostricción A1 = sen 2W, A 2 = sen 2WcosW, A 3 = sen½, 2 5A4 =sen ‘Pcos 2t A 5 =sen ‘PcosW, (A.l0) A6 = sen 3’fco0 ‘F. Consideremosahoraque la muestraestácompuestapor una colectivilidad de estructurasuniáxicas magnéticamentedesacopladascuyos ejes fáciles y’ se encuentransimétricamentedistribuidosalrededordel ejez. El promediode AM~ se puede obtenerfácilmente mediante el promediado de los valores de A~, referidosa los ejesde simetríaa travésde la relación: cotI’ = sen~9cos~ (A.ll) Si la distribución angularde los ejes z! vienen dadospor la flincion L(®, el promediode cadaA, será: 1 4ff Comoconsecuenciammediatade la invarianciadeL alrededordez, (A.13) Asi elpromediode AM>, es: 2AM = .uoM~AH (A.14) < »> 2Kmac~x~~aca donde y ¿mac.~A32 A42__ (A.15) A1 S A1 A1 La figura A.2 muestraA1 y LA=l, A3==l, yA4 ==0. a lo largodel eje (A.16) con lo que sereproducenlas expresionesde A.3. 1.5 1.0 0.5 0.0 ir/2 Parael casoen quelos ejesestánisotrópicamentedistribuidosobtieneque: A14, A3 z.k,A — 1 En estecaso, la anisotropía susceptibilidadinicial sería: (A.17) y la magnetostricciónmedidospor el método de K””~=3K, 2~=$ZA +±Ác (A.18) u 1 u u E u u u E ¡ u E u u u ¡ E O it/8 it! 4 3it/8 Oo (rad) 131 AYUDA DE ACROBAT READER SALIR DE LA TESIS Sistemas Magnéticos Artificiales obtenidos mediante Pulverización Catódica: Películas Delgadas Amorfas de TbFe y Multicapas d Agradecimientos dedicatoria Contenido 1 Introducción 1.1 Objetivos y planteamientos 1.2 Aleaciones de tierra rara-metal de transición y grabación magneto-óptica 1.3 Modificaciones de las propiedades magnéticas de materiales heterogéneos 1.4 Magnetorresistencia anisótropa Bibliografía 2 Técnicas Experimentales 2.1 Pulverización Catódica 2.2 Magnetómetro de Muestra Vibrante (VSM) 2.3 Difracción de rayos X 2.4 Dependencia con la tensión de la susceptibilidad inicial 2.5 Microscopia Electrónica de Barrido (SEM) 2.6 EXAFS Bibliografía 3 Películas delgadas amorfas de Tb xFe100-x 3.0 Introducción 3.1 Preparación y tratamiento de las muestras 3.2 Caracterización estructural 3.3 Caracterización Magnética 3.4 Caracterización Magnetoelástica 3.5 Modelo de cargas puntuales y modelo metálico. Bibliografía 4 Multicapas de Ni/Co 4.0 Introducción 4.1 Preparación de las muestras 4.2 Caracterización estructural 4.3 Caracterización magnética 4.4 Magnetorresistencia Bibliografía 5 Conclusiones y futuros trabajos 5.1 Películas delgadas amorfas de TbFe 5.2 Propiedades magnéticas del Ni en sistemas heterogéneos Ni/Co yNi/Ag 5.3 Magnetorresistencia Anisótropa en multicapas Ni/Co 5.4 Futuros trabajos Apéndice: Anisotropía local y magnetostricción A.0 Introducción A.1 Ejes de simetría uniaxial local alineados A.2 Ejes de simetría uniaxial local con fluctuación de orientación alrededor del eje fácil macroscópico 5TYKIGH,: 57YIH: