Estudo do acoplamento magnético entre filmes de óxido de cério e multicamadas de cobalto/platina com anisotropia magnética perpendicular

Abstract

Resumo: Neste trabalho, descrevemos as propriedades magnéticas do sistema composto por multicamadas de cobalto e platina (Co/Pt) recobertas por um filme nanocristalino de óxido de cério (CeO2 ou céria). O óxido de cério nanocristalino com vacâncias de oxigênio é um material com grande potencial tecnológico devido a algumas propriedades peculiares como ser transparente, isolante e ferromagnético à temperatura ambiente. Por sua vez, as multicamadas de (Co/Pt) apresentam grande anisotropia perpendicular magnética e um alto valor de magnetização de saturação. Neste trabalho, estudamos o acoplamento magnético entre estas duas estruturas em função da espessura da camada e do material de separação, ouro (Au) ou platina (Pt). As nanoestruturas analisadas podem ser descritas como FM1 / X / FM2, onde FM1 corresponde à camada de 20 nm de CeO2, FM2 corresponde a multicamada Co(0.6 nm) /Pt (0.8 nm) repetida 5 vezes, e X uma camada de 10 nm de Au ou camadas de Pt com espessuras de 20, 10, 5 e 3 nm. Essas nanoestruturas foram crescidas sobre substratos comerciais de silício (Si) monocristalino cobertos por uma camada de óxido (SiO2) recoberta por uma camada de 20 nm de Pt. As amostras de multicamadas de Co/Pt e as camadas espaçadoras de Au ou Pt foram fabricadas através da técnica de pulverização catódica e, posteriormente, filmes de CeO2 foram integrados à estrutura por eletrodeposição potenciostática. Difração de raios X e microscopia eletrônica de transmissão em modo de seção transversal foram utilizadas para caracterização estrutural do sistema. As medidas magnéticas foram executadas pela técnica de magnetometria por amostra vibrante, usando o método de análise dos ciclos menores de histerese magnética para investigar a reversão da magnetização das camadas individuais. Através da análise dos ciclos de histerese magnética, diferentes regimes de acoplamento magnético entre os filmes de céria e multicamadas (Co/Pt) são observados para diferentes materiais e espessuras da camada espaçadora. Destas medidas experimentais, também é possível observar o caráter magnético dipolar da interação de acoplamento, isto é, o campo magnético de fuga criado pelas multicamadas Co/Pt através da camada espaçadora de ouro ou platina. O modelo fenomenológico de Stoner- Wohlfarth estendido com um termo de acoplamento magnético intercamadas foi usado para descrever o comportamento magnético dos filmes acoplados magneticamente. Deste modelo obtivemos o valor de 18 ?J/m2 para a densidade energia de acoplamento magnético, em torno de 10 vezes menor que o caso do acoplamento antiferromagnético intercamadas no sistema Co/Cu(1 monocamada)/FeMn. Este acoplamento é praticamente independente da temperatura no intervalo investigado de 10 K a 300 K. A análise de energia magnética da configuração de estados de magnetização dentro deste modelo mostrou que o termo de acoplamento contribui para a estabilização da magnetização perpendicular na nanoestrutura magnética em estado de remanência e dentro da região de campo magnético entre +250 Oe e -250 Oe. Essa região de campo da ordem de várias dezenas de Oersted é interessante para aplicações como eletrodos ferromagnéticos em dispositivos spintrônicos baseados em magnetização perpendicular.

Abstract: Here we describe the magnetic properties of the system composed by cobalt and platinum multilayers (Co / Pt) covered with nanocrystalline films of cerium oxide (CeO2 or ceria). The nanocrystalline oxygen defective cerium oxide is a material with high technological potential due to some peculiar properties such as being transparent, insulating, and ferromagnetic at room temperature. In turn, the multilayer (Co/Pt) present a large perpendicular magnetic anisotropy and a high saturation magnetization value. We studied the magnetic coupling between these two structures depending on the spacer layer thickness and the spacer material, gold (Au) or platinum (Pt). The nanostructures analyzed can be described as FM1 / x / FM2 where the FM1 corresponds to a 20nm layer of CeO2, FM2 corresponds to [Co(0.6 nm)/Pt(0.8 nm)]x5 multilayer and X, a 10 nm thick Au layer or Pt layers with thicknesses of 20, 10, 5 and 3 nm. These nanostructures were grown on commercial substrates of silicon (Si) covered with a monocrystalline oxide layer (SiO2) coated with a 20 nm Pt layer. Samples of Co/Pt Multilayer with Au or Pt spacer layers were fabricated by sputtering technique and then, CeO2 films were integrated to the structure by potentiostatic electrodeposition. X-ray diffraction and transmission electron crosssectional microscopy were used for structural characterization of the system. Magnetic measurements were performed by vibrating sample magnetometry, using the minor magnetic hysteresis cycles analysis method to investigate the magnetization reversal of the individual layers. By analyzing the magnetic hysteresis cycles, different magnetic coupling schemes between ceria films and (Co/Pt) multilayers are observed for different materials and thicknesses of the spacer layer. From these experimental measurements, it is also possible to observe the magnetic dipole character of the coupling interaction, i.e. the stray magnetic field created by the multilayer Co/Pt through the spacer layer of gold or platinum. The phenomenological model of Stoner- Wohlfarth extended with an interlayer magnetic coupling term was used to describe the magnetic behavior of films magnetically coupled. In this model we obtained the value of 18 mJ / m2 for the magnetic coupling energy. This coupling is virtually temperature independent in the range investigated 10 K to 300 K. The magnetic energy analysis of the magnetization states in this model showed that the coupling term contributes to stabilizing the perpendicular magnetization in the field region between +250 and -250 Oe. Perpendicular stabilization within this field is interesting for applications such as ferromagnetic electrodes in spintronic devices based on perpendicular magnetization