VINIENDO DESDE ARRIBA…. QUE APRENDIMOS DE LAS NANOESTRUCTURAS

MAGNÉTICAS

Laura B. SterenLaboratorio de Nanoestructuras Magneticas y Dispositivos

Dpto. Fisica de la Materia Condensada, CACCONICET - UBA

Guia de la charla

• Top-down: hacia lo NANO• Problemas de física básica• Materiales artificiales y espintronica• Aplicaciones• Nuestras metas

actividades• Perspectivas

Nanomateriales

BOTTOM – UP <=> TOP-DOWM

1940 1960 1980 2000 202010

-10

10-8

10-6

10-4

10-2

B OTTOM- UP

siz

e [

m]

TOP-DOWNNanoestructuras magneticas!

Fe/Au

Fe2O3/SiO3

FexOy

N AN OE S TR U C TU R AS M AG N E TIC AS TOP-DOWN

5x5mm2 MnAs

HRTEM LaSrMnO3/LaMnO3

MnAs micro-ribbons

Deposito capa por capa MBE oxidos (dde 2005)

Ilustracion esquematica de un crecimiento capa por capa de La2CuO4  (Max Planck, Munich Alemania).

Crecimiento de películas delgadas magnéticas - primeras: 80s

SPUTTERING

ABLACION LASER (PLD)

MBE

Deposito LaSrMnO/CaTiO3/Si. Adamo et al, APL 2015

INTERES por las nanoestructuras magnéticas

INVESTIGACION FUNDAMENTAL Longitudes características magnetismo (decimas nm) y transporte (nm-µm)!

= Estudio de problemas fundamentales via experimentos: ahora es posible! Por ej: efecto túnel magnético, etc. = Diseño dispositivos manipulando propiedades: orden magnético, acoplamiento magnético en nanoestructuras, magnetoresistencia gigante, etc.

APLICACIONES = Diseño de nanoestructuras artificiales con propiedades especificas para sensores con distintas funcionalidades! => Sensores de campo magnetico por ej.Area Aero-espacial, almacenamiento informacion Medicina, energia, electronica, metal-mecánica

Problemas de física básica

DESDE LA FISICA EXPERIMENTAL

• DISEñO Y FABRICACION DE MATERIALES/DISPOSITIVOS

• MICRO y NANOESTRUCTURACION

• PROPIEDADES FISICAS (uso de nuevas técnicas )

* ESTUDIO DE FENOMENOS CUANTICOS

* BUSQUEDA DE NUEVOS EFECTOS A TRAVES DE DISPOSITIVOS COMPLEJOS NANOESTRUCTURADOS

Superredes metálicas

Acoplamiento entre capas

Magnetizacion de una monocapa de Fe separada de Fe bulkComportamiento 2D -> 3D

Cambios anisotropíasEspesores/buffers

“The interface is still the device” NATURE MATERIALS | VOL 11 | FEBRUARY 2012 | www.nature.com/naturematerials

El Nobel Herbert Kroemer enuncio la frase “the interface is the device” se referia a las viejas aplicaciones de semiconductores en fotonica y electronica hace mas de 40 años.

Interfaces?

HABLAR de SUPERFICIES e INTERFACES MAGNETICAS HOY ……

- Avance en la fabricación de nanoestructuras (métodos físicos)- Desarrollo de técnicas experimentales para detectar magnetismo!!A pesar de que las superficies se investigan desde hace mas de 40 años en semiconductores!!!

FISICA DE INTERFACES

• Fenómenos inesperados: exchange-bias, gas bidimensionalentre dos aislantes

GAS 2DEG

Metal!!AlLaO3

SrTiO3

“DISEÑO DE MATERIALES A MEDIDA” + Apilando materiales de distintas caracteristicas

+ Acoplando interfaces terminadas de manera controlada

+ Modificando interfaces con sustratos/ buffers: contenido O, distorsion de red, tensiones…. Se usa PLD para ello!!

3 monocapas buffermodifican angulo Ru-O-Ru en SrRuO3y alteran anisotropia de todo el film

Sustrato afecta octaedros en interface

2015 M U LTIFE R R OIC OS AR TIFIC IALE S

• Porque?

…..las interfaces se han revelado sumamente activas en las propiedades de heteroestructuras de óxidos

tensiones => acople magneto-elastico

transferencia de carga

magneto-eléctrico (control orden y anisotropías

con E – baja potencia!)

Un multiferroico es un material que presenta mas de una ¨ferroicidad¨: orden magnetico, ferroelectrico, …. Estado

natural

Artificial

M1M2

Orden magneticoAnisotropias

Materiales por diseñoDispositivos

ε M

P

E

σ HPI

EZO-

ELEC

TRIC

O

MAGNETO-

ELECTRICO

MAGNETO-ELASTICO

MECANISMOS DE ACOPLAMIENTO A TRAVES DE LA INTERFACE TIENEN

DISTINTAS LONGITUDES CARACTERISTICAS

E<Ec

E>Ec

Film magnetico FeGaB de 100nmReplica dominios arreglo FE en los dominios magneticos

ESPINTRONICA (FINES 80)

Variables del problema

CARGA SPIN

Sistemas:GMR Junturas tunel Spin-torque .Dinamica de paredes de dominios….

The N obel Prize in Phys ic s 2007" for the dis c overy of G iant M ag netores is tanc e"

Trans porte polarizado en es pín en nanoes truc turas

MAGNETORRESISTENCIA GIGANTE (1988)

JUNTURAS TUNEL

Efectos barreras

Experimental evidence of the interfacial modification of the spin-dependent DOS of the TM-electrode by switching the ferroelectric polarization of a tunnel barrier with voltage pulses: magneto-electric coupling

TMR in Fe/BTO/LSMO junctions

PREDICTION OF A MAGNETO-ELECTRIC COUPLING AT Fe/BTO/LSMO junctions

2016 http://www.nature.com/am/focus/magnetic_materials/index.html#Focus_library

http://www.spintronics-info.com/

Antiferromagnetic spintronics

++ SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO

++ MEMORIAS NO - VOLATILES

NUCLEAR

Sensado de daño por radiacion, accidentes, etc

ALMACENAMIENTO DE INFORMACION

MEDICINAESPACIAL

Sensores MR de H terrestre

Nuestras metas y actividades

Laboratorio de Nanoestructuras Magnéticas y Dispositivos

LNMD

Nuestras metas

• Desarrollar nuevos materiales con funcionalidades multiples => multiferroicos

• Rol de interfaces en las propiedades físicas de estos materiales.

• Efectos de confinamiento sobre propiedades M y E: investigación de nanoestructuras únicas

• Control de propiedades ferroeléctricas, magnéticas, etc. con campos de tensiones, eléctricos y magnéticos.

• Diseño y fabricación de dispositivos magnetoresistivos: GMR, MTJ

Actividades de laboratorio NMD

• Fabricacion de peliculas y multicapas por PLD y sputtering

Desarrollar materiales avanzados con funcionalidades multiples

Caracterización RX AFM SEM

HRTEM + EELS AFMUNIZAR (colab. M. Aguirre) Grupo FQ- Corti

* Caracterizacion magnetica y electrica promedio

CARACTERIZACION MAGNETICA CON TECNICAS DE RADIACION SYNCHROTRON X M C D1 9 8 0 Se propone que rayos X circularmente polarizados pueden servir para medir magnetismo. La técnica consiste en iluminar una muestra con luz circularmente polarizada y detectar electrones secundarios S elec tivo a nivel elementosAna lis is s uperfic ia l

X PEE MX - Photoemis s ion E lec tron m ic ros c opy Mide la variacion local de emision de electrones secundarios para generar contraste en las imágenes. Como el dicroismo depende de la alineacion del espin de los fotones respecto a la direccion de magnetizacion del elemento observado al hacer microscopia se determina la estructura de dominios magneticos (IP). La resolucion lateral es alrededor de 10nm en los mejores equipos.

IMAGEN POLARIZ + IMAGEN POLARIZ -

• Cinta de MnAs (colab. LIFAN, medicion ELETTRA)

DEPENDENCIA EN TEMPERATURA DE LA MAGNETIZACION, resol. lateral 50nm

MAGNETIC Ni2+ AT INTERFACE!

J. C .Rojas et al, Phys. Rev. B (2013)

INTERCAMBIO DE CARGA DESDE Ni3+ A Mn3+ da lugar la aparicion de Ni2+y Mn4+

La0.7Sr0.3MnO3/LaNiO3

TECNICAS DE SONDA LOCAL R E S OLU C ION LATE R AL: S U B M IC R OM E TR IC A

M IC R OS C OP IA DE FUE R Z A M AG N ETIC AM IC R OS C OP IA DE FUE R Z A ATÓM IC AC AFMPFM

M O… .

CAFM

MFM

DIAGRAMA DE FASES MnAs p=w/t

DW structures

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

0 5 10 15 20 25 30 350

30

60

90

120

150

180

t (n

m)

w/t

VI

V

III IV

III

II

(a)

I

Basal plane view w-l t-l Lateral view

t

SIMULACIONES MICROMAGNETICAS

XPEEM

Junto a diseño de dispositivos

Incorporacion barreras ferroelectrica,

aislantes….

Diseño y fabricacion de mascaras

Optimizacion proceso litografia optica y ataque ionico (JTM)

Contactos

S EN S OR M R : JU N TU R AS TU N E L Y G M R

En los 90’s reaparece el interes en el estudio de oxidos FM con propiedades interesantes! Se examina la familia de compuestos, de estructura pseudo-perovskita

Los oxidos a traves de su composicion principalmente, pero tambien utilizando sustratos particulares al fabricar las peliculas delgadas o multicapas, nos permiten diseñar nanomateriales con propiedades fisicas especificas!!

AB O 3

90s : M ang anitas

A/BMnO

ESPINTRONICA de OXIDOS

Review E. Y. Tsymbal et al, MRS Bulletin 37 (2012)

estructura PEROVSKITA

ABO3

sitio A: La3+, Ba2+, Sr2+ ,Ca2+

sitio B: Mn (3+ o 4+),

etc.

Electrones d (5) en entorno octaedrico

ACOPLE MAGNETICO entre Mn a través de los oxígenosPuede ser AFM o FM, en general es AFM. El signo y el valor de la constante de SUPERINTERCAMBIO, K, dependen de:

Angulo Mn-O-Mn

Orbitales d involucrados en el enlace (nro de electrones d, caracter eg o t2g )

DOBLE INTERCAMBIO

Otro tipo de acoplamiento indirecto: ahora entre Mn3+ y

Mn4+

DISTORSION JAHN-TELLER

⇒Ruptura de degeneracion orbitales

DIAGRAMA DE FASES La-Sr-Mn-O Competencia entre acoplamiento de superintercambio, doble intercambio y DM

X-Ray Reflectivity pattern (La0.75Sr0.25MnO3/ LaNiO3)x20

Es sencillo crecer muy buenas muestras por sputtering o PLD

FUERTE INFLUENCIA del SUSTRATO en el MAGNETISMO, TRANSPORTE

ELECTRONICO y ESTRUCTURA CRISTALINA de FILMS y MULTICAPAS

a base OXIDOS

- Anisotropias magneticas => cambios de simetrias - Orden magnetico => FM/AFM/FM debil- Caracter electrico de los materiales: metalico o aislante - Dinamica de oxigenacion: rapida/lenta

J.C. Rojas Sanchez et al, Phys. Rev. B 85 , 094427 (2012)

EFECTO de TENSIONES INDUCIDAS por el SUSTRATO sobre el MAGNETISMO de FILMS de LaSrMnO

C oerc ividad vs . es pes or

L.B. Steren, M. Sirena, and J. Guimpel, J. Appl. Phys., Vol. 87, No. 8, (2000)

KA1 = KV + 1/t * KS

LS-STO LS-MGO Kv[erg/cm3] -3.6x105 +2.6x105

Ks [erg/cm2] +0.89 +0.66

AN IS OTR OP IAS

AN C LAJE DE PAR E DE S

MgO

SrTiO3

MULTICAPAS para JUNTURAS LSMO/BaSrTiO/Py

= Orange peel , estimada segun S. Tegen et al, J. Appl. Phys. 89, 8169 (2001) y suponiendo una rugosidad de 0.3nm (XRD & AFM)Mp: LSMO, Mf: Py J=H0*Mp*tp

= Acoplamiento de intercambio a traves de la barrera, depende de estados evanescentes en la barrera. Mismo orden de magnitud que calculos reportados por M. Zhuravlev et al, J. Phys. Condens. Matter 22, 352203 (2010).

0.5 1 .0 1 .5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

-1 .5

-1 .0

-0.5

0.0

0.5

J (erg/cm2) x 10-2

t (nm)

J (MGO) J (STO)

T=51 K

0 50 1 00 1 50 200-1 .2

-0.6

0.0

0.6

1 .2

J (erg/cm2) x 10-2

T (K)

8-MGO 4-MGO 2-MGO

-30 0 30

0.0

0.1

0.2

M (1e-3*emu)

Magne tic F ie ld (Oe)

FM

AFM

Nuestra ultima aventura: Bessy II - BerlinESTRUCTURAS ESTUDIADAS

LaMnO3 t/ La0.7Sr0.3MnO3 25nmLMO AFM-WF bulk, film: AFM (?)-FM Tc ~150K

La.9Sr.1MnO3 t/ La0.7Sr0.3MnO3 25nmAFM-WF bulk, film AFM(?)-FMPLD: Crecimiento epitaxial.

Se distingue la barrera. Rugosidad de 1 c.u

Efectos de interfaz en las junturas túnel. Disminución de la polarización de espín en la interfaz.

Interfaces La0.66Sr0.33MnO3 / La1-xSrxMO3

Aumento de la polarización de espín en la interfaz.

Transferencia de carga. Ruptura de simetría en interfaces. Tensiones y distorsiones estructurales. Vacancias de oxígeno. Migración catiónica.

630 640 650 660 670

XAS

E (eV)

LMO // STO

LMO (6nm) / LSMO // STO

LMO (4nm) / LSMO // STO

LMO (3nm) / LSMO // STO

LMO (2nm) / LSMO // STO

LSMO // STO

640 641 642 643 644 645

XAS

630 640 650 660 670

XMCD

E (eV)

LMO // STO

LMO (6nm) / LSMO // STO

LMO (4nm) / LSMO // STO LMO (3nm) / LSMO // STO

LMO (2nm) / LSMO // STO

LSMO // STO

T = 4.2K

Espectro de absorcion en el borde del Mn +> x Mn3+ + 1-x Mn4+

DICROISMOPolarizacion en espindel espectro => Magnetismo Mn

= Fenómenos de transferencia de carga en interfaces LSMO / L1-xSxMO.

= Variación del acople magnético en la interfaz. = Aumento local de la polarización de espín

XAS=(RCP+LCP)/2; XMCD=(RCP-LCP)/2

525 530 535 540 545 550 555

0

1

2

3

4

5

6

O2p- Mn4s,p, La6s ,p

XAS

E (eV)

LSMO LS0.1MO (2nm) / LSMO LS0.1MO (3nm) / LSMO LS0.1MO (4nm) / LSMO LS0.1MO (6nm) / LSMO

O2p-Mn3d

O2p-La5d (S r4d)

525 530 535 540 545 550 555

0.00

0.04

0.08

0.12

0.16

XMCD Oxygen

E (eV)

LSMO LMO (2nm) / LSMO LMO (3nm) / LSMO LMO (4nm) / LSMO LMO (6nm) / LSMO

Espectro de absorcion en el borde del O

DICROISMOPolarizacion en espinen la absorcion O- Mny tambien en O-La sobre el compuesto LaMnO3

NO en el LSMO!

Ref. espectro O: NPG Asia Materials 7,1 (2015)

PERSPECTIVAS DEL GRUPO

• Crecimiento de films. Control capa por capa

• Fabricacion de materiales magneticos a medida,

diseñando interfaces mediante uso buffers/sustratos

• Multiferroicos : mecanismos de acoplamiento FE/FM

• Efectos de confinamiento lateral

• Dinamica de paredes de dominios magneticos

• Sensores de campo magnetico magnetoresistivo:

Junturas Tunel Magneticas, GMR

PDTS: DESARROLLO lab-on-chip Año 1

REQUERIMIENTOS ESPECIFICOS según aplicación (diagnostico por reconocimiento de bio-moleculas):

sensibilidad , especificidad, SEÑAL/RUIDO

SENSOR mr *

ELECTRONICA

N AN OPAR TIC U LAS

M IC R OFLU ID IC A +

FUNCIONALIZACION BIO

EQUIPOS: MEMS +, LNMD *….

EQUIPOPermanentesMarina Tortarolo

DoctorandosSantiago Carreira Augusto RomanAneely Carrero LoboPablo Granell INTI UNSAM Estudiantes de grado Agustin Lopez Pedroso (Tesina)Mariano Cababie (ahora MEMS)Agostina Lo GiudiceLucas Cantarutti

http://www.tandar.cnea.gov.ar/grupos/solidos/nanomag/

COLABORACIONESGrupo MEMS (Karina, Alejandro, Juan, Cintia….), D. Rubi, D. Vega, G. Leyva, teoria…. MatCondL. Pietrasanta, CMA – UBAA.Butera, J. Gomez, M. Sirena, CABJ. Briatico, UMR-Thales FranciaJ. P. Sinnecker, CBPF, BrasilM. Marangolo, INSP, FranciaM. Aguirre, UNIZAR, España

CAB

MEMS

TEORIA

MATCONDEXP

PLD, FQ, Q

CMA-UBA

INTI

LNMD

MUCHAS GRACIAS!