Propiedades estáticas y dinámicas de nanoestructuras multiferroicas

Abstract

Los multiferroicos son materiales simultáneamente ferroeléctricos y ferromagnéticos que permiten entrelazar propiedades magnéticas y eléctricas. Han despertado un importante interés debido a sus potenciales aplicaciones en el diseño de sensores, transductores y memorias. El sistema FePt/BaTiO3 resulta prometedor para el control del magnetismo mediante campos eléctricos, puesto que las propiedades magnéticas del FePt son sensibles a tensiones, y el BaTiO3 es ferroeléctrico y piezoeléctrico. En este trabajo nos concentramos en el estudio de las propiedades magnéticas y estructurales de la aleación FePt a través del empleo de técnicas experimentales y simulaciones micromagnéticas, para luego enfocarnos en el diseño y caracterización del multiferroico artificial FePt/BaTiO3. Analizamos la estructura del FePt y las características de su crecimiento en capas delgadas. Las mismas presentan una estructura policristalina constituida por granos pequeños de algunos nanómetros en la zona más cercana al sustrato, la cual luego adquiere un perfil columnar de un ancho promedio de decenas de nanómetros. Las capas están compuestas por una mezcla de fases FePt con estructura cristalina ordenada (L10) y desordenada (A1), donde predomina esta ́ultima. La estructura del FePt está comprimida por el sustrato en películas delgadas y por la capa ferroeléctrica en heteroestructuras. Esta compresión da lugar a una anisotropía magnética perpendicular al plano. Mediante la caracterización magnética de las muestras, identificamos la existencia de un espesor crítico, tc, por encima del cual, la estructura de dominios magnéticos pasa de estar formada por dominios en el plano de la capa a dominios caracterizados por la oscilación periódica de la componente perpendicular de la magnetización (stripes). Determinamos que el mecanismo de inversión de la magnetización depende del espesor de la capa de FePt (tF eP t). Cuando tF eP t < tc, el proceso combina rotación coherente de momentos con desplazamiento de paredes de dominio. Para t > tc, el mecanismo de inversión está determinado por los stripes y el campo coercitivo presenta una fuerte dependencia de la constante de anisotropía. Mediante experimentos de difracción de rayos X y microscopía electrónica de transmisión, caracterizamos la estructura del BaTiO3. Mostramos que las capas son epitaxiales y están tensionadas por el sustrato. Debido a esta tensión presentan una estructura tetragonal entre 150 y 300 K, mientras que en el material masivo ocurren transiciones estructurales en ese rango de temperatura. Si bien las transiciones estructurales del BaTiO3 se suprimieron en las capas, observamos cambios en la expansión térmica en las temperaturas de transición estructural del material masivo. Determinamos que, cuando la capa ferromagnética es de un espesor cercano al crítico y presenta dominios con forma de stripes, el magnetismo del FePt exhibe una extrema sensibilidad ante las tensiones inducidas por la expansión térmica del BaTiO3, indicando un acoplamiento magneto-elástico.

Multiferroics are simultaneously ferroelectric and ferromagnetic materials that allow magnetic and electrical properties to be intertwined. They have aroused significant interest due to their potential applications in the design of sensors, transducers and memories. The FePt/BaTiO3 system is promising for the control of magnetism using electric fields, since the magnetic properties of FePt are sensitive to stresses, and BaTiO3 is ferroelectric and piezoelectric. In this work we focus on the study of the magnetic and structural properties of the FePt alloy through the use of experimental techniques and micromagnetic simulations, and then focus on the design and characterization of the artificial multiferroic FePt/BaTiO3. We analyze the structure of FePt and the characteristics of its growth in thin layers. They present a polycrystalline structure made up of small grains of a few nanometers in the area closest to the substrate, which then acquires a columnar profile with an average width of tens of nanometers. The layers are composed of a mixture of FePt phases with ordered (L10) and disordered (A1) crystalline structures, where the latter predominates. The FePt structure is compressed by the substrate in thin films and by the ferroelectric layer in heterostructures. This compression gives rise to a magnetic anisotropy perpendicular to the plane. Through the magnetic characterization of the samples, we identify the existence of a critical thickness, tc, above which, the magnetic domain structure goes from being formed by domains in the plane of the layer to domains characterized by the periodic oscillation of the component perpendicular of magnetization (stripes).. We determined that the magnetization reversal mechanism depends on the thickness of the FePt layer (tF eP t). When tF eP t < tc, the process combines coherent rotation of moments with displacement of domain walls. For t > tc, the inversion mechanism is determined by the stripes and the coercive field presents a strong dependence on the anisotropy constant. Using X-ray diffraction and transmission electron microscopy experiments, we characterized the structure of BaTiO3. We show that the layers are epitaxial and tensioned by the substrate. Due to this tension they present a tetragonal structure between 150 and 300 K, while in the massive material structural transitions occur in that temperature range. Although the structural transitions of BaTiO3 were suppressed in the layers, we observed changes in thermal expansion at the structural transition temperatures of the bulk material. We determined that, when the ferromagnetic layer is of a thickness close to the critical one and presents stripe-shaped domains, the magnetism of the FePt exhibits extreme sensitivity to the stresses induced by the thermal expansion of the BaTiO3, indicating a magneto-elastic coupling.