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

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.


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2021 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved