Ajustarea magneto-rezistentei prin efecte controlate: chiralitate si camp magnetic captat


Project Director: Dr. Anda-Elena Stanciu

Acronim: MR_Helix

Cod Proiect: PN-III-P1-1.1-PD-2019-1141

Numar contract: PD 163/2020

Director de Proiect: Dr. Anda-Elena Stanciu

Mentor: Dr. Ioan Adrian Crisan

Tipul Proiectului: National

Programul de incadrare al Proiectului:

Program 2 –Cresterea competitivitatii economiei romanesti prin cercetare,dezvoltare si inovare. Subprogramul 2.1 - Competitivitate prin cercetare, dezvoltare si inovare, Proiect experimental-demonstrativ

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii, UEFISCDI

Contractor: Institutul National C-D pentru Fizica Materialelor

Status: In desfasurare

Data Inceperii:01 Septembrie 2020

Data Finalizarii: 31 August 2022

Perfectionarea tehnologiilor bazate pe efecte magnetorezistive se bazeaza pe materiale noi cu polarizare de spin mare, magnetizare controlabila si care sa prezinte anizotropie magnetica. Anizotropia magnetica este o caracteristica ce confera proprietati magnetice diferite la diferite orientari ale campului magnetic extern. Asadar, parametrii necesari pentru controlarea proprietatilor magnetice dorite sunt componente ale anizotropiei magnetice: cristalinitate, forma, stress. Metode de a optimiza si a controla anizotropia magnetica si proprietatile magnetice sunt: modificarea compozitiei elementale, magnetostrictie, dimensionalitate, dispunere geometrica, chiralitate. Scopul acestui proiect este ajustarea proprietatilor magneto-rezistive in sisteme soft-magnetice prin anizotropia de stress, efecte chirale si printr-un cuplaj indirect al rezistentei electrice cu structura de spin prin camp magnetic captat in supraconductori.

Primul obiectiv al proiectului este ajustarea proprietatilor magneto-rezistive prin dispunerea benzilor intermetalice in forma elicoidala si studierea influentei efectului anizotropiei magneto-chirale si al anizotropiei de stress asupra proprietatilor magnetorezistive ale benzilor. In cazul conductorilor chirali, rezistenta electrica depinde de intensitatea curentului, de chiralitate si de campul magnetic extern, toti acesti parametrii definind efectul electric magneto-chiral.

Al doilea obiectiv este inducerea anizotropiei magnetice in filme subtiri magnetice(ferimagnetice) si in sisteme elicoidale folosind un supraconductor care sa capteze camp magnetic. In cazul filmelor subtiri, filmul magnetic este depus pe un substrat supraconductor cu un strat intermediar izolator. In cazul sistemelor elicoidale, acestea vor fi dispuse in jurul unui fir supraconductor acoperit cu un izolator. Anizotropia indusa va fi evidentiata prin comportamentul magnetic si magneto-rezistiv in ambele cazuri. Aceasta abordare indirecta axata pe masuratori magneto-rezistive nu a fost utilizata in studii precedente. Astfel este evidentiata o metoda inovativa pentru controlul indirect al structurii de spin (prin efecte chirale sau prin campul magnetic captat in supraconductori).

Director de proiect: Stanciu Anda-Elena

Mentor: Crisan Adrian

Etapa I - Raportul stiintific si tehnic

Rezumatul etapei: Scopul acestei etape a constat in prepararea si studierea proprietatilor morfo-structurale si magnetice ale unor compusi intermetalici pamant rar – metal de tranzitie (RE-TM) sub forma de benzi in vederea stabilirii sistemelor potrivite pentru utilizarea lor in structuri magneto-rezistive, care vor fi investigate in functie de dispunerea liniara sau elicoidala a acestora. Pentru a optimiza proprietatile lor magnetice se iau in considerare metode intrinseci (compozitia elementala, concentratie) si ulterior metode extrinseci (dimensionalitate, dispunere, chiralitate). In sistemele RE-TM, care au frecvent un aranjament ferimagnetic, controlul proprietatilor magnetice intrinseci este facilitat de magnetismul elementelor de pamant rar RE, determinat de orbitalii 4f localizati in vecinatatea nucleului pe o distanta de 10% din raza atomica.

Descrierea stiintifica si tehnica: In aceasta etapa scopul a fost atins, s-au preparat si s-au studiat proprietatile magnetice ale sistemelor de benzi intermetalice de tipul RE-TM pentru diferite compozitii si concentratii in jurul punctului de compensare a magnetizarii (concentratia la care magentizarile corespunzatoare celor doua sub-retele, pamant rar RE si metal de tranzitie TM, cuplate anti-feromagnetic sunt aproximativ egale). Dy are structura de spin speromagnetica (L ≠ 0), iar interactiile de schimb Fe-Dy conduc la formarea unei structuri de spin asperomagnetice. Concentratia de compensare a magnetizarii s-a estimat considerand un moment magnetic al Dy mai mic decat cel teoretic (12.5 µB) pentru a tine cont de necoliniaritatea structurii de spin. Astfel, s-au considerat sistemele Fe79Dy21 si Fe65Dy35, cu retea magnetica dominanta  a Fe, respectiv a Dy. Gd este un ion izotrop (L = 0) avand structura de spin feromagnetica. Cuplajul dintre Fe si Gd este antiferomagnetic, rezultand o structura de spin liniara care introduce existenta unui punct de compensare a magnetizarii calculat in functie de momentele magnetice ale atomilor izolati de Fe (2 µB) , respectiv Gd (7 µB) obtinute cu regulile lui Hund. Sistemul de benzi Fe-Gd considerat in aceasta etapa este  Fe70Gd30 in care reteaua dominanta este cea a Gd. Pentru comparatie a fost preparat un system de benzi TM-TM-RE: Fe78Ni17Gd3B2 cu concentratie de Fe similara sistemelor RE-TM.

Benzile au fost preparate prin metoda solidificarii ultra-rapide in atmosfera protectoare de Ar. Pentru a asigura omogenitatea probelor s-au realizat intr-un prim pas prealiaje prin topirea in arc electric a elementelor componente. In al doilea pas, pre-aliajele au fost retopite prin inductie si racite ultrarapid pe un tambur rotator. Avantajul topirii ultrarapide consta in obtinerea unor benzi ce contin la temperatura camerei faze cu proprietati morfo-structurale de neechilibru specifice  doar temperaturilor inalte. Parametrii de preparare a benzilor sunt prezentati in tabelul 1.

Tabelul 1

Analiza elementala a difractogramelor probelor Fe65Dy35, Fe70Gd30 si Fe78Ni17Co3B2, prezentate in Figura 1, s-a realizat folosind programul software DIFFRAC.EVA [1]. Pentru sistemul Fe65Dy35 s-a dentificatat o faza cristalina cubica (DyFe2) avand constanta de retea 7.323 Å. Sistemele Fe70Gd30 si Fe78Ni17Gd3B2 prezinta atat o componenta amorfa cat si faze cristaline. Faza cristalina (GdFe2)  identificata in cazul benzilor Fe70Gd30 are structura cubica si constanta de retea de 7.39 Å. Faza cristalina obtinuta in cazul benzilor Fe78Ni17Co3B2 este o solutie solida cu formula Fe0.72Ni0.28 avand structura cubica si constanta de retea de 2.86 Å. Imaginile de microscopie optica arata formarea benzilor cu suprafata rugoasa, cat si o tendinta de texturare la scala micrometrica pe directia longitudinala a benzilor.

Figura 1

Caracterizarea magnetica a benzilor s-a realizat prin masuratori de magnetometrie tip SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Curbele de histerezis ale probelor Fe65Dy35, Fe79Dy21 si Fe78Ni17Co3B2 si curbele termo-magnetice sunt reprezentate in Figura 2.

Figura 2

Curbele de histerezis se inchid la diferite valori ale campului aplicat de ordinul 104 Oe in functie de temperatura. De asemenea, forma inclinata asemanatoare unor paralelograme a curbelor de histerezis ale benzilor Fe65Dy35 si Fe79Dy21 indica necoliniaritatea momentelor magnetice si se observa existenta a doua faze magnetice cu camp coercitiv diferit: 5 kOe si 28 kOe la 10 K in cazul sistemului Fe65Dy35 si 2 kOe si 28 kOe la 10 K in cazul sistemului Fe79Dy21. Fazele magnetice diferite si necoliniaritatea momentelor magnetice pot fi asociate unor configuratii morfo-structurale medii locale cu diverse concentratii TM/RE. Curbele de histerezis ale benzilor Fe78Ni17Gd3B2 arata caracterul soft-magnetic al aliajului. Curbele se satureaza intr-un camp aplicat de 5 kOe. Magnetizarea de saturatie este aproximativ 180 emu/g. Campul coercitiv, mai mic de 0.1 kOe, variaza nesemnificativ cu temperatura. Curbele de histerezis inregistrate la diferite temperaturi indica o scadere a momentului magnetic cu temperatura in intervalul (10 K – 300 K) in cazul benzilor Fe65Dy35 si o evolutie cu temperatura a momentului magnetic care prezinta un maxim la aproximativ 50 K in cazul benzilor Fe79Dy21. Dependenta de temperatura a momentului magnetic net in compusii intermetalici RE-TM se explica in functie de concentratie si de dependenta de temperatura a magnetizarii sub-retelelor RE, respectiv TM [2].

Structura atomica locala si interactiile magnetice in sistemele Fe79Dy21 ((I) a) si Fe78Ni17Gd3B2 au fost investigate prin Spectroscopie Mössbauer de Transmisie (TMS) la diferite temperaturi in intervalul (6 K – 300 K). Spectrele inregistrate la 300 K pentru benzile Fe79Dy21 si Fe78Ni17Gd3B2 sunt prezentate in figura 3 (I) (a) si, respectiv (b). Evolutia parametrilor hiperfini cu temperatura este redata in figura 3 (II).

Figura 3

Spectrele TMS au fost fitate cu o distributie de camp hiperfin care cuprinde sub infasuratoare atat contributii ale componentei cristaline cat si ale celei amorfe. Spectrele prezinta linii largi care se suprapun la temperatura camerei in cazul benzilor Fe79Dy21 spre deosebire de cel al benzilor Fe78Ni17Gd3B2. Distributia de camp hiperfin este mai larga in sistemul Fe79Dy21 decat in sistemul Fe78Ni17Gd3B2. Valoarea maxima a campului hiperfin este mai scazuta decat a Fe metalic in sistemul Fe79Dy21, consecinta a polarizarii electronilor s ai Fe fie de catre momentul magnetic propriu, fie de catre momentele magnetice invecinate. Valoarea maxima a campului hiperfin este mai mare decat a Fe metalic in sistemul Fe78Ni17Gd3B2 indicand o localizare crescuta a electronilor in jurul nucleului de Fe ca urmare a modificarii distantei interatomice a Fe in compusul intermetalic. Valorile IS sunt raportate relativ la deplasarea izomera a Fe metalic. Deplasarea izomera corespunde Fe amorf in Fe78Ni17Gd3B2 [3] si are o valoare apropiata de a Fe metalic in Fe79Dy21, specific aliajelor intermetalice RE-TM [4]. Parametrul A23 demonstreaza existenta unei faze magnetice cu orientare in afara planului benzilor.

Concluzie: Au fost preparate benzi RE-TM cu diferite compozitii si concentratii in jurul punctului de compensare a magnetizarii si au fost studiate proprietatile morfo-structurale,  magnetice si de structura atomica locala ale acestora, realizand obiectivele etapei. Pentru a obtine structuri magneto-rezistive, sunt necesare sisteme cu anizotropie magnetica in plan. In etapa urmatoare se va incerca inducerea anizotropiei magnetice in plan facand uz de anizotropia de forma. Astfel, pentru realizarea sistemelor magneto-rezistive se vor considera fire de diferite compozitii, cu diametru de ordinul zecilor de microni si lungimi de ordinul mm.

Referinte:

[1] https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-diffraction/xrd-software/eva.html

[2] Stanciu, A. E., et al. (2020). Unexpected magneto-functionalities of amorphous Fe-Gd thin films crossing the magnetization compensation point. Journal of Magnetism and Magnetic Materials498, 166173.

[3] G. Xiao, C. L. Chien, J. Appl. Phys., 61 8 (1987)

[4] Greenwood, N. N. (2012). Mössbauer spectroscopy. Springer Science & Business Media.

 

Etapa II - Raportul stiintific si tehnic

Rezumatul etapei: Pentru a optimiza proprietatile magnetice ale sistemelor sutdiate, s-au luat in considerare metode intrinseci (compozitia elementala, concentratie) si ulterior metode extrinseci (dimensionalitate, dispunere, chiralitate). In sistemele RE-TM cu aranjament ferimagnetic, controlul proprietatilor magnetice intrinseci este facilitat de magnetismul elementelor de pamant rar RE, determinat de orbitalii 4f localizati in vecinatatea nucleului. S-au preparat compusi intermetalici RE- TM cu adaos de B pentru a obtine sisteme cu structura omogena si mai stabila prin interactia B-metal pentru o mai buna controlare a proprietatilor magnetice. Sistemele intermetalice au fost preparate sub forma de benzi si de fire micrometrice prin solidificare ultrarapida. Aceste sisteme au fost studiate din punct de vedere morfo-structural si magnetic. Pentru a obtine structuri magneto-rezistive histeretice de- a lungul benzilor sau firelor, sunt necesare sisteme cu anizotropie magnetica in plan. S-a incercat inducerea anizotropiei magnetice pe directia de curgere a curentului facand uz de anizotropia de forma. Aceasta s-a realizat prin considerarea de fire intermetalice cu compozitie similara cu cea a benzilor si cu diametre micronice. Firele micrometrice prezinta o anizotropie de forma mai pronuntata decat in cazul benzilor, data de constitutia lor 1D. Asadar, s-au studiat proprietatile MR ale firelor micrometrice in forma liniara si elicoidala.

Descrierea stiintifica si tehnica: In aceasta etapa scopul a fost atins, s-au preparat si s-au studiat proprietatile magnetice ale sistemelor de benzi intermetalice de tipul RE-TM pentru diferite compozitii si concentratii in jurul punctului de compensare a magnetizarii (concentratia la care magentizarile corespunzatoare celor doua sub-retele, pamant rar RE si metal de tranzitie TM, cuplate anti- feromagnetic sunt aproximativ egale). Dy are structura de spin speromagnetica (L ≠ 0), iar interactiile de schimb Fe-Dy conduc la formarea unei structuri de spin asperomagnetice. Concentratia de compensare a magnetizarii s-a estimat considerand un moment magnetic al Dy mai mic decat cel teoretic (12.5 µB) pentru a tine cont de necoliniaritatea structurii de spin. Astfel, s-au considerat sistemele, Fe52Dy28B20, Fe63Dy17B20, cu retea magnetica dominanta a Dy, respectiv a Fe. Gd este un ion izotrop (L = 0) avand structura de spin feromagnetica. Cuplajul dintre Fe si Gd este antiferomagnetic, rezultand o structura de spin liniara care introduce existenta unui punct de compensare a magnetizarii calculat in functie de momentele magnetice ale ionilor izolati de Fe (2 µB) , respectiv Gd (7 µB) obtinute cu regulile lui Hund. Sistemele de benzi Fe-Gd considerate in aceasta etapa sunt: Fe65Gd15B20 si Fe67Gd13B20, reteaua dominanta a Gd fiind in sistemul Fe65Gd15B20. Pentru comparatie a fost preparat un system de benzi si fire micrometrice TM-TM-RE: Fe78Ni17Gd3B2.

Benzile si firele micrometrice au fost preparate prin metoda solidificarii ultra-rapide in atmosfera protectoare de Ar. Pentru a asigura omogenitatea probelor s-au realizat intr-un prim pas prealiaje prin topirea in arc electric a elementelor componente. In al doilea pas, pre-aliajele au fost topite in inductie si racite ultrarapid pe un tambur rotator. Avantajul topirii ultrarapide consta in obtinerea unor benzi in care faza structurala stabila la temperaturi inalte a fost inghetata la temperatura  camerei. Parametrii de preparare a benzilor sunt prezentati in tabelul 1.

Tabel 1. Parametrii de preparare a benzilor

Analiza elementala a difractogramelor benzilor Fe65Gd15B20, Fe52Dy28B20, Fe63Dy17B20 si Fe78Ni17Gd3B2 prezentate in Figura 1, s-a realizat folosind programul software DIFFRAC.EVA [1]. Se evidentiaza caracterul amorf al benzilor. S-au identificat faze unice Fe-Dy in benzile Fe52Dy28B20 si Fe63Dy17B20. Difractograma obtinuta in cazul benzilor Fe78Ni17Gd3B2 indica formarea unei faze de Fe- Ni.

Figura 1. Difractogramele benzilor Fe65Gd15B20 (a), Fe52Dy28B20 (b), Fe63Dy17B20 (c) si Fe78Ni17Gd3B2.

Structura atomica locala si interactiile magnetice in sistemele Fe65Gd15B20, Fe67Gd13B20, Fe52Dy28B20, Fe63Dy17B20 au fost investigate prin Spectroscopie Mössbauer de Transmisie (TMS) la temperatura camerei (RT). Spectrele inregistrate sunt prezentate in figura 2.

Figura 2. Spectre TMS la temperatura camerei inregistrate pe benzile Fe65Gd15B20 (a), Fe67Gd13B20 (b) (I) si Fe52Dy28B20 (a), Fe63Dy17B20 (b) (II).

Spectrele TM au fost fitate cu o distributie de camp hiperfin. Valorile medii ale parametrilor hiperfini (Deplasare izomera (IS), despicare cuadrupolara (QS), camp hiperfin (BHF), raportul intensitatilor liniilor spectrale 2 si 3 (A23)) obtinuti prin fitarea spectrelor cu metoda celor mai mici patrate sunt prezentate in Tabelul 2.

Tabelul 2. Parametrii hiperfini obtinuti prin fitarea cu metoda celor mai mici patrate ale spectrelor benzilor Fe65Gd15B20, Fe67Gd13B20, Fe52Dy28B20 si Fe63Dy17B20.

Potrivit datelor prezentate mai sus, despicarea magnetica (si implicit campul magnetic hiperfin al Fe) este crescut cu cresterea concentratiei de Fe. Cresterea campului hiperfin cu cresterea concentratiei de Fe poate avea doua origini: (1) reconfigurarea densitatii electronice de stari a Fe datorita prezentei unui numar crescut de vecini RE si (2) o relaxare magnetica mult crescuta a spinilor Fe la RT atunci cand se creste concentratia de RE. Intr-un studiu anterior [2] scaderea campului hiperfin in compusi intermetalici Fe-Gd s-a explicat (pe baza unor calcule DFT (Density Functional Theory) si a masuratorilor de efect Kerr magneto-optic) prin relaxarea magnetica mult crescuta in probele cu concentratie mai mica de Fe. Deplasarea izomera medie este foarte aproape de 0.0 mm/s pentru toate probele si este specifica Fe amorf [3]. Despicarea cuadrupolara medie foarte apropiata de 0.0 mm/s este de asemenea specifica Fe amorf. Parametrul A23 ofera informatii despre orientarea momentului magnetic al Fe fata de directia radiatiei γ. Valoarea maxima A23 = 4 in aceasta geometrie de masura (radiatie incidenta perpendicular pe planul probei) se atribuie spinilor Fe cu orientare in plan. Valoarea minima A23 = 0 se atribuie spinilor Fe perpendiculari pe planul probei. Se observa ca A23 este aproximativ 3 in cazul sistemelor Fe-Gd-B si aproximativ 2 in cazul sistemelor Fe-Dy-B.

Sistemele pe baza de Gd au fost caracterizate din punct de vedere magnetic si morfo-structural prin Microscopie de Forta Atomica/Microscopie de Forta Magnetica AFM/MFM. Imaginile AFM/MFM sunt prezentate in Figurile 3-5. Imaginile MFM au aratat un contrast magnetic mai slab la concentratii scazute de Fe. Contrastul magnetic crescut indica existenta unor componente de spin in afara planului. Se poate observa ca sistemul Fe65Gd15B20 prezinta o structura de domenii magnetice pronuntate in jurul unor defecte, la frontiera unor domenii lai largi, cu contrast mai putin pronuntat, dat de o posibila orientare a magnetizarii in planul sau putin deviata de planul probei. Mai mult, o invesare a contrastului pentru domeniile din jurul defectelor se observa la aplicarea unui camp magnetic. Sistemul Fe67Gd13B20 prezinta in stare initiala (fara aplicarea unui camp magnetic) formarea unor domenii magnetice cu dimensiuni de aproximativ 10 μm. Pentru a investiga tendinta de texturare in cazul sistemului Fe67Gd13B20 s-a aplicat un camp magnetic de 4 kOe perpendicular pe planul probei. Prin aplicarea campului de 4 kOe contrastul magnetic s-a micsorat fata de starea initiala, dar structura de domenii si a peretilor de domenii care sunt foarte bine conturati se schimba semnificativ.

Figura 3. Imagini AFM/MFM inregistrate pe sistemul Fe65Gd15B20 evidentiind evolutia si inversarea orientarii domeniilor magnetice dupa aplicarea unui camp magnetic.

Caracterizarea magnetica a benzilor s-a realizat prin masuratori de magnetometrie SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Curbele de histerezis inregistrate in geometrie longitudinala la temperaturi intre 10 K si 300 K, precum si curbele termomagnetice sunt prezentate in Figurile 4 si 5. In cazul sistemului Fe65Gd15B20 curbele de histerezis masuratorile pentru valori ale campului aplicat de ordinul a 104 Oe in functie de temperatura indica o inchidere la temperatura camerei.. In acest camp magnetic aplicat exista o componenta magnetica in afara planului benzilor. De asemenea, forma inclinata asemanatoare unor paralelograme a curbelor de histerezis ale benzilor Fe65Gd15B20 indica necoliniaritatea momentelor magnetice sau o dezaliniere in raport cu directia campului si a axei de anizotropie. Campul coercitiv scade cu temperatura de la 1.2 T la 10 K la 5 Oe la 300 K. Curbele de histerezis inregistrate la diferite temperaturi indica o scadere a momentului magnetic (in intervalul 10 K – 200 K) cu un minim in jurul valorii de 200 K. Momentul magnetic la 300 K este crescut fata de cel obtinut la 200 K.

Figura 4. Imagini AFM/MFM inregistrate in diferite zone pe sistemul Fe67Gd13B20 fara camp aplicat (A). Imagini AFM/MFM inregistrate intr-o zona pe sistemul Fe67Gd13B20 inainte si dupa aplicarea unui camp magnetic de 4 kOe (B).

Dependenta de temperatura a momentului magnetic net in compusii intermetalici RE-TM se explica in functie de concentratie si de dependenta de temperatura a magnetizarii sub-retelelor RE, respectiv TM [2]. Interactiile de schimb TM-TM si RE-RE in perechile Fe-Fe si Gd-Gd rezulta intr-o aliniere paralela a momentelor magnetice ale Fe si Gd, dar antiparalela intre Fe si Gd (datorita cuplajului antiferomagnetic al momentelor atomilor de TM si RE). In functie de concentratie si de dependenta de temperatura specifica magnetizarii fiecarei subretele, momentul magnetic net poate fi diminuat in cel mai inalt grad la o temperatura numita temperatura de compensare la care magnetizarile corespunzatoare celor doua subretele devin egale sau aproape egale. Curba termomagnetica (colectata intr-un camp aplicat de 500 Oe) a sistemelui Fe65Gd15B20 arata un moment magnetic net nul la 200 K indicand temperatura de compensare a magnetizarii.

Figura 5. Curbe de histerezis inregistrate pentru sistemului Fe65Gd15B20 colectate la diferite temperaturi; in inset sunt prezentate curbele de histerezis intr-un interval de camp aplicat mai mic de 1.5 T (a). Curba termomagnetica inregistrata pentru sistemul Fe65Gd15B20 in camp aplicat de 500 Oe.

Curbele de histerezis obtinute in cazul sistemului Fe67Gd13B20 (Figura 6) arata caracterul soft- magnetic al aliajului. Campul coercitiv, mai mic de 0.1 kOe, nu variaza cu temperatura. Curbele de histerezis inregistrate la diferite temperaturi indica o crestere a momentului magnetic net in intervalul 10 K – 300 K. Curbele se satureaza intr-un camp aplicat de 1 T. Magnetizarea de saturatie este aproximativ 37 emu/g la 10 K si 44 emu/g la 300 K. Aceste rezultate corespund curbelor termomagnetice (colectate intr-un camp aplicat de 500 Oe). Curba termomagnetica a sistemului Fe67Gd13B20 este specifica scaderii mai rapide a magnetizarii subretelei de contributie mai mica (Gd) la cresterea temperaturii.

Figura 6. Curbe de histerezis inregistrate pentru sistemului Fe67Gd13B20 colectate la diferite temperaturi; in inset sunt prezentate curbele de histerezis intr-un interval de camp aplicat mai mic de 1.5 T (a). Curba termomagnetica inregistrata pentru sistemul Fe65Gd15B20 in camp aplicat de 500 Oe.

S-a incercat inducerea anizotropiei magnetice pe directia de curgere a curentului (necesara pentru obtinerea de structuri magneto-rezistive) facand uz de anizotropia de forma. Astfel au fost considerate fire intermetalice de compozitie similara cu a sistemului Fe78Ni17Gd3B2, cu diametre micronice. Firele micrometrice si structurile elicoidale din fire micrometrice au fost realizate in colaborare cu Micro Nano Tech Srl. Pentru investigatii complexe (in vederea realizarii structurilor magneto-rezistive) s-a selectat un fir cu diametru interior d = 8.5 μm, acoperit cu un strat izolator de sticla, diametrul exterior (D) fiind de 17 μm. Firele micrometrice prezinta o anizotropie de forma mai pronuntata decat in cazul benzilor.

Figura 7. Schita a structurii elicoidale preparata din fir micrometric Fe78Ni17Gd3B2 (a) si schita care prezinta dimensiunile structurii elicoidale (b).

Modelarea 3D a structurii elicoidale si calculul densitatii de flux magnetic bazat pe metoda elementelor finite s-a realizat folosind programul software COMSOL Multiphysics™. Simularile au fost realizate folosind dimensiunile structurii elicoidale, dar considerand un fir de Cu, pentru vizualizarea campului magnetic rezultat in bobina electromagnet. Distributia de camp magnetic 3D este prezentata in Figura 8 (a) in care poate fi vizualizata distributia densitatii de flux magnetic intr-o sectiune transversala a structurii elicoidale. Densitatea de flux magnetic axiala si radiala este prezentata in Figura 8 (b) si, respectiv (c).

Figura 8. Distributia de camp magnetic intr-o sectiune transversala a unei structuri elicoidale (a); Densitatea de flux magnetic axiala (b) si radiala (c).

S-au studiat interactiile magnetice si proprietatile de structura atomica locala ale unui sistem elicoidal realizat din fir micrometric cu compozitia Fe78Ni17Gd3B2 prin TMS. Spectrul TM obtinut la 300 K este prezentat in Figura 9.

Figura 9. Spectru TM al sistemului elicoidal din fir micrometric Fe78Ni17Gd3B2.

Spectrul TM a fost fitat cu o distributie de camp hiperfin. Distributia de camp hiperfin obtinuta este specifica unei faze bcc Fe80Ni20. Deplasarea izomera este 0.3 mm/s. Raportul intensitatilor liniilor spectrale 2 si 3 indica o orientare a momentului magnetic net la 60o fata de directia radiatiei incidente. Proprietatile magnetice ale firului micrometric Fe-Ni au fost investigate prin magnetometrie SQUID. Curbele termomagnetice inregistrate intr-un camp aplicat de 1 kOe sunt prezentate in Figura 10. Momentul magnetic net scade cu cresterea temperaturii.

Figura 10. Curbe termomagnetice colectate intr-un camp de 1 kOe in geometrie longitudinala (a) si transversala (b). In inset sunt reprezentate curbele de histerezis la diferite temperaturi in intervalul 10 K – 300 K corespunzatoare geometriei de masura.

Figura 11. Curbe de histerezis inregistrate la 10 K (a), 200 K (b) si 300 K (c) in geometrie longitudinala si transversala. In inset sunt prezentate curbele de histerezis intr-un interval redus de camp in jurul originii.

Curbele de histerezis la diferite temperaturi inregistrate in geometrie longitudinala si transversala (prezentate in Figura 11) sunt specifice sistemelor soft-magnetice. Momentul magnetic este mai mare in geometrie transversala decat in geometrie longitudinala. Curbele se satureaza intr-un camp aplicat de 1 T, atat in cazul geometriei longitudinale, cat si in cazul geometriei transversale. Un studiu anterior a evidentiat prevalenta anizotropiei circumferentiale asupra celei longitudinale in cazul firelor micrometrice magnetice, explicata prin formarea unei structurii de domenii magnetice circulare [4].

Proprietatile MR ale firului Fe-Ni au fost investigate masurand rezistenta electrica folosind metoda celor patru puncte in prezenta unui camp aplicat. S-a aplicat un curent cu amplitudine de 0.5 mA si frecventa 2 Hz. S-a studiat in mod comparativ efectul MR al firului Fe-Ni in forma liniara si in forma elicoidala. Curbele MR masurate in geometrie longitudinala si perpendiculara (camp magnetic aplicat axial, pe directia de curgere a curentului) sunt prezentate in Figurile 12, respectiv 13.

Figura 12. Curbe MR inregistrate in geometr ale firului micrometric in forma liniara si elicoidala.

Proprietatile MR pot fi explicate pe baza competitiei dintre anizotropia de forma si campul aplicat. In cazul structurii elicoidale anizotropia de forma favorizeaza orientarea momentelor magnetice in directie tangentiala a traiectoriei elicoidale [5]. Efectul MR este de doua ori mai mare in cazul formei elicoidale comparativ cu forma liniara posibil datorita efectelor magnetostrictive si de camp magnetic indus de structura elicoidala.

Figura 13. Curbe MR inregistrate in geometrie perpendiculara ale firului micrometric in forma liniara si elicoidala.

In cazul geometriei perpendiculare (camp aplicat perpendicular pe axa), efectul MR al structurii elicoidale este asemanator cu cel obtinut in cazul formei liniare. Este de notat existenta unor minime in jurul originii in curba MR (geometrie longitudinala) a firului in forma liniara si in curba MR (geometrie perpendiculara) a structurii elicoidale.

Pentru controlul indirect al proprietatilor MR, s-au considerat sisteme multistrat supraconductor/izolator/strat magnetic care, prin intermediul campului captat de supraconductor, sa modifice efectul MR in stratul magnetic. Sistemul MgB2 a fost ales ca strat supraconductor care sa capteze camp magnetic deoarece este recunoscut ca un bun candidat pentru aplicatii supraconductoare: este disponibil comercial si este un material relativ ieftin, poate fi produs sub diferite geometrii, are o lungime de coerenta mare fiind potrivit pentru aplicatii ale supraconductorilor de temperatura inalta. Intervalul de temperatura pentru aplicatii supraconductoare ale sistemului MgB2 este apropiat de 20 K unde (datorita campului de ireversibilitate mare si densitatii de curent critic) poate concura atat cu supraconductorii de temperatura joasa cat si cu cei de temperatura inalta. Studii anterioare au aratat posibilitatea captarii unui camp magnetic de 7 T la 5 K intr-un sistem MgB2 [6]. Cel mai intens camp magnetic captat pentru un magnet supraconductor volumic a fost 4.6 T la 14 K [7] sau 5.4 T la 12 K [8].

S-au preparat straturi supraconductoare MgB2 prin sinterizare cu descarcare in plasma. Pudra de MgB2 (LTS Laboratories Inc., US) a fost pusa in pulbere de grafit si procesata prin Spark Plasma Sintering (SPS, FCT Systeme GmbH - HP D5, Germany) la temperatura de 1150 oC timp de 3 min. Rata de incalzire a fost de 110C/min, iar presiunea maxima aplicata pe pulberea de grafit cu diametrul 20 de mm a fost de 95MPa. S-a obtinut un disc cu diametrul de 20 mm si 3,5 mm grosime. Prin taierea si polizarea discului s-au obtinut 4 prisme dreptunghiulare cu dimensiunea 3 x 3 x 10 mm, notate S1, S2, S3, S4. Suprafata de depunere a fost polizata metalografic pana la 4000 mesh. Pentru o mai buna comparare, proprietatile magneto-rezistive ale sistemelor multistrat se vor investiga concomitent cu cele ale sistemelor chirale cu miez supraconductor.

Figura 14. Difractograma probei S1_Fe (a); curba XRR experimentala (linia neagra) si teoretica (linia rosie) a sistemului Fe depus pe Si oxidat (b); parametrii geometrici obtinuti prin fitul curbei XRR (c)

Pe substratul supraconductor S1 si pe substrat de Si oxidat s-a depus un strat izolator de MgO dintr-o tinta de MgO prin pulverizare cu magnetron in atmosfera de argon-oxigen (6.5*10-3 torr). Pulverizarea s-a realizat cu o putere de 60 W, timp de 8 minute la 22 oC. Stratul de Fe s-a depus prin pulverizare cu magnetron in atmosfera de argon (5.8*10-3 torr) cu o putere de depunere de 30 W, timp de 10 minute la 22 oC. Proba a fost notata S1_Fe. Caracterizarea structurala a probei S1_Fe s-a realizat prin difractie de raze X (XRD). Structura geometrica a sistemului Fe depus pe Si oxidat a fost analizata prin reflectometrie de raze X. Difractograma probei S1_Fe, curba XRR (a sistemului depus pe Si oxidat) fitata folosind programul LAPTOS si profilul geometric al sistemului sunt prezentate in Figura 14. Difractograma arata ca structura probei S1_Fe consta in faze cristaline MgB2, MgO, Fe si MgB4. Prin fitarea curbei XRR s-a obtinut grosimea stratului izolator MgO de 97 nm si a stratului de Fe de 40 nm.

Figura 15. Imagini SEM (A) si harti elementale (B) ale sistemului multistrat MgB2/MgO.

Imaginile SEM (Scanning Electron Microscopy) prezentate in Figura 15 (A) arata formarea stratului izolator MgO uniforma, continua, conditie necesara pentru realizarea caracterizarii MR a stratului magnetic. Hartile elementale prezentate in Figura 15 (B) sustin distribuirile elementale uniforme in volumul probei.

Proprietatile magnetice ale substraturilor supraconductoare S1-S4 au fost investigate prin magnetometrie SQUID. Curbele ZFC-FC (zero field cooled – field cooled) si curbele de histerezis achizitionate la diferite valori ale temperaturii in intervalul 20 K – 45 K ale acestor probe sunt prezentate in Figurile 16-20. Curbele termomagnetice au fost achizitionate racind proba de la o temperatura mai mare decat temperatura de tranzitie la temperatura de lucru in absenta unui camp aplicat. Ulterior s-a aplicat un camp de 100 Oe si s-au inregistrat curbele termomagnetice.

Figura 16. Curbe ZFC-FC ale probelor S1-S4 (a) si ale probei S1_Fe (b) inregistrate intr-un camp aplicat de 100 Oe.

Figura 17. Curba ZFC-FC a probei S1 inregistrata la 20 K (a); Densitatea de curent critic la 20 K in functie de campul aplicat (b); Curbe de histerezis ale probei S1 la 35 K (c) si 45 K (d).

Figura 18. Curbe de histerezis ale probei S2 la 20 K (a), 35 K (b) si 45 K (c).

Figura 19. Curbe de histerezis ale probei S3 la 20 K (a), 35 K (b) si 45 K (c).

Figura 20. Curbe de histerezis ale probei S4 la 20 K (a) si 35 K (b).

Curbele ZFC-FC ale probelor S1-S4 arata o tranzitie clara intre starea supraconductoare si starea normala la 37.5 K pentru toate probele.

S-au inregistrat curbe de histerezis la diferite temperaturi in jurul temperaturii de tranzitie: 20 K, 35 K, 45 K. La cresterea campului magnetic la suprafata probei supraconductoare vortexurile incep sa patrunda in interiorul supraconductorilor cu o densitate de curent critic constanta. Magnetizarea are valori diferite in volumul probei, valoarea masurata reprezentand media pe intreg volumul. In regiunile in care vortexurile nu au patruns densitatea de curent critic este nula. Atunci cand campul intern patrunde in centrul probei, campul magnetic aplicat se numeste camp de penetrare totala. In acest moment supracurentii au fost indusi in intreg volumul probei si se atinge magnetizarea de saturatie. Campul de penetrare totala poate fi identificat in curba de histerezis la punctul de intalnire a curbeiinitiale de magnetizare cu cea de intoarcere dupa completarea ciclului de histerezis. Pentru a obtine curbe de histerezis saturate campul aplicat trebuie sa fie cel putin de doua ori mai mare decat campul de penetrare totala. La descresterea campului magnetic supracurentii isi inverseaza directia. In acest moment apare camp magnetic captat in supraconductor deoarece campul magnetic intern este mare decat cel aplicat si magnetizarea este pozitiva. Descrescand in continuare campul aplicat supracurentii se indreapa in directia opusa si mai mult conducand la cresterea magnetizarii. Daca s-a aplicat un camp magnetic de cel putin doua ori mai mare decat cel de penetrare totala, la inlaturarea campului aplicat toti supracurentii isi vor fi schimbat directia si magnetizarea remanenta este cea de saturatie. La valori negative ale campului aplicat starea critica se formeaza in directie opusa si se obtine o curba de histerezis antisimetrica.

Dependenta de campul aplicat a densitatii de curent critic s-a estimat din curba de histerezis la 20 K pentru proba S1, conform modelului Bean [9], cu formula specifica probelor rectangulare. Curba Jc(H) calculata pentru proba S1 la 20 K este prezentata in Figura 17 (b).

Campul maxim care poate fi captat s-a calculat folosind dependenta magnetizarii de campul aplicat. S-a reprezentat densitatea de flux magnetic in functie de campul aplicat si s-a identificat campul magnetic captat. Astfel, in cazul probei S1 valoarea maxima a campului magnetic captat este 1 T la 20K. Campul magnetic captat in supraconductori se exprima in functie de densitatea de curent critic independent de campul aplicat [8]. Folosind valoarea maxima a campului magnetic captat estimata din curba de histerezis a probei S1 la 20 K, s-a obtinut o densitate de curent critic independenta de campul aplicat de 107 A/cm2.

Se remarca forma asimetrica a curbelor de histerezis la temperaturi mai mici decat temperatura de tranzitie din starea supraconductoare in starea normala pentru toate probele S1-S4. La apropierea de temperatura de tranzitie se obtin curbe de histerezis simetrice. Curbele de histerezis inregistrate la 45 K sunt specifice sistemelor diamagnetice. Magnetizarea de saturatie scade de la 300 emu/g la 20 K la 60 emu/g la 35 K. Campul de penetrare este 9 kOe la 20 K si 2 kOe la 35 K.

In cazul probelor S2-S4 curbele de histerezis la 20 K prezinta salturi datorate fie instabilitatilor termo-magnetice, fie densitatii probei volumice.

Dupa depunerea stratului izolator MgO de 90 nm si ulterior, a stratului magnetic de Fe de 40 nm (compozitia RE-TM cu 0% element RE) s-au investigat proprietatile magnetice ale sistemului (proba S1_Fe). Curba ZFC-FC si curbele de histerezis la 20 K, 35 K si 45 K sunt prezentate in Figura 21. Tranzitia de la starea supraconductoare la starea normala apare la 37.5 K. Curba de histerezis la 45 K prezinta o componenta paramagnetica insemnata. Campul coercitiv este mai mic de 1 kOe.

Figura 21. Curba ZFC-FC a probei S1_Fe inregistrata in camp aplicat de 100 Oe (a); Curbe de histerezis ale probei S1_Fe la 20 K (b), 35 K (c) si 35 K (d).

S-au investigat interactiile magnetice in cazul probei S1_Fe prin Spectroscopie Mossbauer cu electroni de conversie (CEMS). Spectrul CEM este redat in Figura 22. Se remarca largirea liniilor spectrale fata de Fe metalic. Deplasarea izomera si despicarea cuadrupolara sunt specifice Fe metalic. Campul hiperfin de 32.9 T este asemanator cu cel al Fe metalic. Parametrii hiperfini demonstreaza cresterea unui film cu proprietatile magnetice dorite.

Figura 22. Spectru CEM al probei S1_Fe inregistrat la temperatura camerei.

Rezultate: S-a studiat influenta efectului magneto-chiral asupra proprietatilor magneto-rezistive in sisteme bazate pe microfire magnetice. Efectul MR este de doua ori mai mare in cazul formei elicoidale comparativ cu forma liniara posibil datorita efectelor magnetostrictive si de camp magnetic indus de structura elicoidala. S-au preparat substraturi supraconductoare cu proprietatile morfo-structurale dorite. Cu aceste sistemele supraconductoare se poate capta un camp magnetic de 1 T la 20 K. Uniformitatea stratului izolator, necesara pentru caracterizarea proprietatilor magneto-rezistive ale sistemului multistrat supraconductor/strat izolator/film magnetic este sustinuta prin imagini SEM.

Referinte:

  • https://www.bruker.com/products/x-ray-diffraction-and-elemental-analysis/x-ray-diffraction/xrd- software/eva.html
  • Stanciu E. et al., Unexpected magneto-functionalities of amorphous Fe-Gd thin films crossing the magnetization compensation point. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 498, 166173.
  • Xiao, C. L. Chien, J. Appl. Phys., 61 8 (1987)
  • Peng, H. X., et al. "Co-based magnetic microwire and field-tunable multifunctional macro- " Journal of Non-Crystalline Solids 355.24-27 (2009): 1380-1386.
  • Maurenbrecher, Henrik, et "Chiral anisotropic magnetoresistance of ferromagnetic helices."Applied Physics Letters 112.24 (2018): 242401.
  • Viznichenko R.V. et al. “Temperature dependence of the trapped field in MgB2 bulk superconductors”, Phys. Lett. 83 (2003) 4360
  • Yochida et al. “Development of 4.6 Tesla MgB2” superconducting bulk magnets, Cryogenics Supercond. Soc. Jpn. (Proc.) 88 (62) (2013)
  • Fuchs, G., et al. "High trapped fields in bulk MgB2 prepared by hot-pressing of ball-milled precursor " Superconductor Science and Technology 26.12 (2013): 122002.
  • Bean, Charles P. "Magnetization of high-field superconductors." Reviews of modern physics 1 (1964): 31.

Diseminarea rezultatelor:

Rezultatele au fost diseminate prin sustinerea unei prezentari la International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect (ICAME 2021) cu titlul “Tuning spin configurations and magneto- resistive properties of Fe based RE-TM microwires via chirality effects” si autorii: A.E. Stanciu, N. Iacob, G. Schinteie, P. Palade, B. Popescu, B. Borca, V. Kuncser.

De asemenea, a fost publicat articolul: C. Locovei, N. Iacob, G. Schinteie, A. E. Stanciu, A. Leca, V. Kuncser, "Tuning the magnetic properties of amorphous Fe-Gd thin films by variation of thickness and composition." Hyperfine Interactions 242.1 (2021): 1-12; https://doi.org/10.1007/s10751-021-01763-1

A fost trimis spre publicare articolul S.G. Greculeasa, A.E. Stanciu, A. Leca, A. Kuncser, L. Hrib, C. Chirila, I. Pasuk, V. Kuncser; “Influence of thickness on the magnetic and magnetotransport properties of epitaxial La0.7Sr0.3MnO3 films deposited on STO (0 0 1)” nanomaterials-1469046; care se afla in process de revizie.

 

 

C. Locovei, N. Iacob, G. Schinteie, A. E. Stanciu, A. Leca, V. Kuncser, "Tuning the magnetic properties of amorphous Fe-Gd thin films by variation of thickness and composition." Hyperfine Interactions 242.1 (2021): 1-12; https://doi.org/10.1007/s10751-021-01763-1


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved