Nome do Projeto
Propriedades estruturais, magnéticas e de transporte eletrônico de filmes finos metálicos
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
02/07/2020 - 01/07/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
Filmes finos magnéticos são estruturas artificiais compostas por camadas de materiais diferentes (metálicos ou não) depositados sobre um substrato, sendo a espessura de cada camada da ordem dos nanômetros. Muitas propriedades de um material na forma de filme fino diferem substancialmente das propriedades que o mesmo material possui em sua forma maciça devido à influência dos efeitos de superfície. Do ponto de vista estrutural, por exemplo, os filmes podem ter suas constantes de rede cristalina distintas das constantes de rede dos materiais que os compõem, como é o caso de super-redes Fe/V depositadas sobre substratos de MgO. Do ponto de vista das propriedades magnéticas, os filmes finos possuem características que vem inovando a indústria dos dispositivos spintrônicos, como a magnetorresistência gigante, a anisotropia magnética e a polarização de troca. Em particular, a anisotropia magnética refere-se à propriedade que define a orientação do eixo de fácil magnetização do sistema. Em filmes compostos por metais ferromagnéticos separados por metais não magnéticos, esse eixo é orientado paralelamente ao plano do filme. Porém, quando a espessura do metal ferromagnético é reduzida a poucas camadas atômicas, o eixo de fácil magnetização passa a se orientar perpendicularmente ao plano dos filmes. Esse fenômeno foi denominado de anisotropia magnética perpendicular e permitiu a fabricação de dispositivos de gravação magnética de alta densidade, uma vez que a gravação é feita em forma perpendicular à superfície. Por outro lado, a polarização de troca foi observada em bicamadas compostas por um material ferromagnético e um material antiferromagnético e é caracterizado por um desvio do ciclo de histerese magnética ao longo do campo magnético e um aumento do campo coercitivo quando os filmes são esfriados desde acima da temperatura de bloqueio do material antiferromagnético. Neste mesmo cenário, novos materiais com propriedades magnéticas, elétricas e óticas vêm sendo desenvolvidos através da modificação de materiais conhecidos na busca por novos dispositivos spintrônicos. Este é caso dos semicondutores magnéticos diluídos (SMD), nos quais uma matriz pura é dopada com elementos magnéticos ou não magnéticos, resultando em materiais com outra estrutura eletrônica e cristalina, dando lugar a propriedades físicas que na matriz pura não são observadas, por exemplo, o ferromagnetismo a temperatura ambiente. Entre os sistemas SMD mais analisados estão o ZnO, e o TiO2 dopados com diferentes metais de transição.

Objetivo Geral

O foco deste projeto é a produção e a caracterização de sistemas de filmes finos e multicamadas magnéticas que apresentem anisotropia magnética e polarização de troca e ferromagnetismo a temperatura ambiente no caso de SMD. As amostras serão preparadas por diferentes técnicas, combinando os processos de Sol Gel e Spin Coating nos laboratórios do Departamento de Física desta instituição. Também usaremos a técnica de pulverização catódica por magnetron, em colaboração com instituições parceiras. Além disso, este projeto envolverá a participação de estudantes de doutorado, mestrado e graduação vinculados à Universidade Federal de Pelotas.

Justificativa

Na pesquisa experimental de filmes finos, a fabricação de amostras com determinadas propriedades estruturais é de crucial importância. Estas propriedades são caracterizadas pela estrutura cristalina das amostras, bem como pela espessura e rugosidade interfacial. Esta estrutura pode ser modificada através do controle das condições de preparação dos filmes. Por outro lado, existem várias técnicas de preparação de filmes finos. Algumas de elas se classificam como técnicas químicas (envolvem reações químicas), por exemplo: Sol Gel (combinado com Spin Coating) e Eletrodeposição. As outras, como técnicas físicas (não há reações químicas), por exemplo: Pulverização Catódica, Feixe Molecular Epitaxial e Ablação Laser. Em particular a técnica de Sol Gel é de baixo custo comparado às técnicas físicas, as quais precisam de câmaras de ultra-alto vácuo. Com a infra-estrutura atual dos Laboratórios do Departamento de Física da UFPel é possível produzir filmes finos de semicondutores dopados com metais de transição usando a técnica de Sol Gel e Spin Coating. Por outro lado, com uma continua colaboração com instituições parceiras, como o Centro Brasileiros de Pesquisas Físicas é possível preparar amostras usando a técnica da pulverização catódica, o que permite a produção de filmes de excelente qualidade estrutural.

Metodologia

Para cada sistema a ser estudado, inicialmente será feita uma revisão bibliográfica para focar nas propriedades específicas a serem analisadas. Serão produzidas amostras de diversos sistemas de filmes finos e multicamadas para sua caracterização estrutural e a análise das propriedades magnéticas. Dentre os sistemas a serem estudados temos as tricamadas Co/Cr/NiFe, Ni/Cr/NiFe, as válvulas de spin IrMn/NiFe/Ru/Co e os filmes de semicondutores magnéticos diluídos de TiO2 dopado com impurezas metálicas. As técnicas de análise estrutural serão a Difracão de Raios X, a Refletividade de Raios-X e Microscopia de Força Atômica. Estas análises poderão ser realizadas em colaboração com outras instituições nacionais. Para as propriedades magnéticas usaremos medidas de magnetizacão em função do campo magnético aplicado e da temperatura. Estas medidas poderão ser realizadas usando um sistema PPMS (Physical Properties Measurement System) instalado no Laboratorio de Supercondutividade da UFPel. Também será realizada uma análise por ressonância ferromagnética em amostras com anisotropia magnética unidirecional em colaboração com a Universidade Federal de Goias. Para uma análise estrutural local por absorção de raios-X também pretendemos pretendemos submeter propostas ao Centro Nacional de Pesquisa em Materiais (CNPEM).

Indicadores, Metas e Resultados

Com a realizacão deste projeto esperamos dar continuidade e concluir trabalhos de pesquisa como dissertações de mestrado e trabalhos de iniciacão científica. Também pretendemos publicar os resultados destes estudos em revistas de circulacão internacional bem como realizar sua apresentação em eventos científicos.

Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
MATEUS SOUZA DUTRA
SANDRO DOS SANTOS VIANA
WILLIAN EDGARDO ALAYO RODRIGUEZ12

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