Multicamadas ultrafinas de cobalto : estabilidade térmica e aplicações

Abstract

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.