Multicamadas ultrafinas de cobalto : estabilidade térmica e aplicações
Resumo
Resumo: Materiais com anisotropia magnética perpendicular (PMA) são de grande
interesse tecnológico devido as suas aplicações em memórias não voláteis de alta
densidade e dispositivos de lógica de spin na área de nanotecnologia spintrônica.
Filmes finos consistindo do empilhamento alternado de camadas ultrafinas de cobalto
e platina e também de cobalto e níquel, doravante denominados por multicamadas
Co/Pt e Co/Ni, são um exemplo desta classe de materiais que, além da grande
anisotropia magnética perpendicular, apresentam altos valores de magnetização de
saturação e de magnetização remanente. No caso das multicamadas Co/Pt, este
sistema também é reconhecido por sua microestrutura colunar. Inicialmente,
apresentamos resultados da caracterização das propriedades magnéticas e
estruturais de multicamadas Co(0,6 nm)/Pt(0,8 nm) recobertas por camadas de platina
de espessura variável que são fabricadas pela técnica de pulverização catódica. Tais
resultados são comparados aos obtidos em nanoestruturas híbridas compostas por
multicamadas Co/Pt integradas a filmes nanocristalinos e ferromagnéticos de óxido de
cério (CeO2 ou céria) deficiente em oxigênio, com espessura de 20 nm, crescido por
eletrodeposição sobre intercamadas espaçadoras de platina com espessuras entre 3
nm e 20 nm. Análises por refletividade de raios X, magnetometria e microscopia de
força magnética indicam que a intercamada de platina tende a preencher os espaços
vazios intercolunares das multicamadas Co/Pt, intensificando o acoplamento
magnético intergrãos na multicamada Co/Pt. Quando a espessura da intercamada de
platina é igual ou inferior a 10 nm, as magnetizações da multicamada Co/Pt e do
eletrodepósito de CeO2 revertem-se simultaneamente e concomitantemente observase
a reprodução ou projeção dos domínios magnéticos formados na multicamada
Co/Pt no filme céria, conforme análise de microscopia de força magnética. É
demonstrada a viabilidade de produção de nanoestruturas magnéticas que integram
multicamadas Co/Pt com ferromagneto não-convencional transparente como
magnetização remanente perpendicular à temperatura ambiente. A estabilidade
térmica das propriedades estruturais e magnéticas de multicamadas Co/Pt são
também investigadas através de técnicas de caracterização in situ em amostras sob
aquecimento. Tais investigações permitiram estabelecer limites de estabilidade
térmica para a integridade da modulação química e preservação da anisotropia
perpendicular das multicamadas Co/Pt. Observou-se que a estabilidade magnética é
limitada pela degradação estrutural causada por processos de difusão interfacial
termicamente ativados com limiar em 220 ºC. Neste trabalho são também
apresentados e discutidos os resultados experimentais e modelagens computacionais
relativas à reversão magnética induzida por torques de spin-órbita em discos
micrométricos de multicamadas Co/Ni. Estes dispositivos foram produzidos por
processo de microfabricação dentro de um projeto de colaboração internacional
executado durante um estágio de doutoramento na França. São reportados resultados
de um estudo experimental criterioso usando caracterizações magneto-óptica e de
magneto-transporte eletrônico do processo de reversão magnética induzida por pulsos
de corrente elétrica. Modelagens e simulações micromagnéticas tornaram possível
quantificar a razão de amplitudes entre os torques gerados pela corrente polarizada
durante o processo de reversão. Ambos conjuntos de multicamadas Co/Pt e Co/Ni
revelam um potencial concreto para o desenvolvimento de tecnologias de
armazenamento de dados magnéticos e memórias magnéticas de acesso aleatório
com operação baseada em torque por transferência de spin e torque de spin-órbita.
Palavras chave: Magnetismo. Materiais magnéticos. Multicamadas Co\Pt e Co\Ni.
Torques de spin-órbita. Abstract: Materials with perpendicular magnetic anisotropy (PMA) are of great
technological interest due to their applications in spintronic nanotechnology, namely
high-density non-volatile memories and spin logic devices. Thin films consisting of
alternating stacking of ultrathin layers of cobalt and platinum as well as cobalt and
nickel, hereinafter referred to as multilayer Co/Pt and Co/Ni, are an example of this
class of materials. In addition to the large perpendicular magnetic anisotropy these
materials present high saturation magnetization and remanent magnetization values.
In the case of Co/Pt multilayers, this system is also recognized for its columnar
microstructure. Initially, we present results of the magnetic and structural
characterization of Co(0.6 nm)/Pt (0.8 nm) multilayers covered by platinum films of
variable thickness fabricated by the sputtering technique. Such results are compared
to those obtained in hybrid nanostructures composed of multilayered Co/Pt films
integrated with nanocrystalline cerium oxide (CeO2 or ceria) films. These films, with
thicknesses of 20nm, were grown by electrodeposition over platinum spacers with
thicknesses between 3 nm and 20 nm. X-ray reflectivity, magnetometry and magnetic
force microscopy analyses indicate that the platinum interlayer tends to fill the
intercolumnar voids in the Co/Pt multilayers, intensifying the intergrains magnetic
coupling in the Co/Pt multilayer. When the thickness of the platinum interlayer is equal
to or less than 10 nm, the magnetizations of the Co/Pt multilayer and the CeO2 film are
magnetically coupled. Furthermore, magnetic force microscopy demonstrated the
reproduction of the magnetic domain structure from the Co/Pt multilayered film in the
ceria layer. These results demonstrate the feasibility of producing magnetic
nanostructures that integrate multilayer Co/Pt with transparent non-conventional
ferromagnet as a perpendicular magnetization at room temperature. The thermal
stability of the structural and magnetic properties of Co/Pt multilayers are also
investigated through in situ characterization techniques. Such investigations allowed
us to establish limits of thermal stability for the integrity of the chemical modulation and
preservation of the perpendicular anisotropy of the Co/Pt multilayers. It was observed
that the magnetic stability is limited by the structural degradation caused by thermally
activated interfacial diffusion processes with a threshold at 220 ºC. Experimental
results and computational modeling related to the magnetic reversal induced by spinorbit
torques in multilayer Co/Ni micrometric discs are also presented and discussed.
These devices were produced by a microfabrication process within an international
collaboration project carried out during a PhD internship in France. Results of a
rigorous experimental study are reported using magneto-optical and magnetotransport
characterization of the magnetic reversal process induced by pulses of
electric current. Micromagnetic modeling and simulations made it possible to quantify
the amplitude ratio between the torques generated by the polarized current during the
reversal process. Both Co/Pt and Co/Ni multilayer sets reveal a concrete potential for
the development of magnetic data storage technologies and random access magnetic
memories with spin transfer and spin-orbit torque based operation.
Keywords: Magnetism. Magnetic materials. Co\Pt and Co\Ni multilayers. Spin-orbit
Torque.
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