1

Progetto FIRB Progetto FIRB : microsistemi basati su : microsistemi basati su materiali magnetici innovativi strutturati su materiali magnetici innovativi strutturati su

scala nanoscopicascala nanoscopica(microsistemi e nanomateriali magnetici)(microsistemi e nanomateriali magnetici)

Unità Operativa: Università di ParmaResponsabile: Giovanni AstiGruppo Magnetismo e Materiali MagneticiG. Asti, M. Ghidini, M. Solzi, Coll.: M. Mulazzi, F.M. Neri, R. Pellicelli, P. Podini

WP1, Sensori, microattuatori e micromagnetiWP4, Diagnostica

1

Magneti permanenti a film sottileMagneti permanenti a film sottileI magneti permanenti a film sottile sono importanti per sviluppi futuri relativi a:

•Mezzi per registrazione magnetica•Sistemi micro-elettro-meccanici

(MEMS) micro-attuatori bi-direzionali con forza elevata microsensori di bassa potenza micro-motori e micro-pompe

•Isolatori e circolatori in circuiti fotonici integrati (PIC)•Circuiti integrati monolitici per

microonde (MMICs). 

T.S. Chin, J. Magn. Magn. Mater. 209 (2000) 75

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Magneti nano-compositiMagneti nano-compositiAttuale obiettivo tecnologico:Attuale obiettivo tecnologico:

sviluppo di magneti permanenti dalle prestazioni eccezionali per MEMS e magnetoelettronica (elevata densità di energia)

possibile soluzionepossibile soluzione:: magneti compositi ottenuti combinando le migliori proprietà di un materiale magnetico soft (elevata Mr) e di uno hard (grande Hc) tramite l’accoppiamento di scambio su una scala nanometrica. In particulare multistrati orientati in linea di principio possono raggiungere il limite teorico di 1 MJ/m3 per la densità di energia

[R. Skomski, J.M.D. Coey, Phys. Rev. B 48 (1993) 15812].

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Compositi magnetici planari Compositi magnetici planari hard/softhard/soft

Sistemi artificiali descrizione micromagneticamicromagnetica Diagramma di faseDiagramma di fase magnetico come strumento per il

tailoringtailoring– Risultati:

Suscettibilità criticaSuscettibilità critica, campi critici, ruolo della microstruttura NucleazioneNucleazione e sganciamento di parete Anisotropia perpendicolareAnisotropia perpendicolare, disallineamento, Magnete disaccoppiatodisaccoppiato

Indicazioni emerse:– Non il magnete spring (ES) ma il magnete rigidomagnete rigido (RM)

massima densità di energia– NanostrutturazioneNanostrutturazione spinta

anisotropia d’interfacciaanisotropia d’interfaccia fase hard ferri- o antiferroferri- o antiferro-magnetica

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

0

2

4

6

8

10

0 5 10 15 20

t 2 (nm

)

t1 (nm)

t1A

= 2.15 nm t1B

= 16.3 nm

c > 0

c < 0

c < 0ES

DM

RM

Il diagramma di fase magneticaIl diagramma di fase magneticasistema composito Fe/NdFeB.

Linea delle biforcazioni

Magnete disaccoppiato (DM)

Magnete rigido (RM)

MagneteExchange-spring (ES)

Hc2=Hc1 Hc1

Hc2

c<0c>0Linea critica c

Hc1

Hc2

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Compositi magnetici planari Compositi magnetici planari hard/softhard/soft

Problemi aperti:– Interazione di scambioscambio all’interfaccia

compositi ad alta % softsoft

– CoercitivitàCoercitività Comprensione dei meccanismi reticoli e schiereschiere di micromagneti (< 1 m)

– MorfologiaMorfologia Granulometria, tessitura Fase soft amorfa, soft/hard isomorfi multistratimultistrati

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

ReversalReversal nei bistrati nei bistrati hardhard--softsoftDescrizione dell’inversione della magnetizzazione (“reversal”) nei compositi planari (magneti exchange-spring)

Modelli discreti

Modelli analitici del continuo

• Il reversal incomincia ad un ben definito campo

critico: il campo di nucleazione Hc1 (o campo di

exchange-bias), al quale i momenti magnetici

incominciano a deviare dalla direzione facile in

modo non uniforme.

• L’inversione irreversibile dell’intero sistema

avviene poi al campo di reversal Hc2.

il bistrato è equivalente a un multistrato sotto condizioni al contorno periodiche

W. Andrä, IEEE Trans. Magn. 2, 560 (1966). E.E. Fullerton et al., Phys. Rev. B 58 (1998) 12193. M. Amato et al., Phys. Rev. B 60, 3414 (1999).

E. Goto et al., J. Appl. Phys. 36, 2951 (1965). F. B. Hagedorn, J. Appl. Phys. 41, 2491 (1970). T. Leineweber et al., J.M.M.M. 176 (1997) 145.

Hc1

Hc2

H

M/M

s

+1

-1

0

0

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Il modello micromagneticoIl modello micromagnetico Modello monodimensionale del

continuo Energia libera:

Problema variazionale La inclusione di termini di ordine

più elevato (4°) consente di ottenere l’espressione analitica della suscettibilità critica ct1= (x0 – x1), t2= (x2 – x0) Semi-spessori degli

strati

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

La suscettibilità critica La suscettibilità critica

c definisce un diagramma didiagramma di fase fase nel piano dei semi-spessori degli strati tt11 e e tt22

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Il campo di Il campo di depinningdepinningL’espressione analitica del campocampo HHdw dw di disancoraggio (depinningdepinning)) della parete di dominio è :

E’ interessante notare che questo campo è dello stesso ordine di grandezza dei tipici campitipici campi coercitivi coercitivi dei magneti permanenti massivi

Nel caso di un sistema Fe/NdFeB : Hdw = 0.54 MA/m, che è circa il 10% del campo di anisotropia HA2 della fase hard.

composite

Fe/NdFeB 0,540 5,347 10,10

Co/NdFeB 0,669 5,347 12,52

Fe/SmCo 2,011 14,469 13,90

Co soft/SmCo 3,021 14,469 20,88

Co/SmCo 2,859 14,469 19,76

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

The The ESES case: critical fields case: critical fields

BifurcationBifurcation of the iso-field lines in the ES region: nucleation (Hc1) and reversal (Hc2) critical fields

Numerical evaluation of the demagnetization curves: SmCo/Fe multilayer2t2= 20 nm fixed (SmCo)t1 variable (Fe)

Hc [MA/m]

Hc1

Hc2

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Influence of intrinsic layer Influence of intrinsic layer parametersparameters

0

5

10

15

20

0 2 4 6 8 10 12 14

t 2 (nm

)

t1 (nm)

K1/K

2= 0.05

K1/K

2= 0.02

K1/K

2= 0.002

0

5

10

15

0.0001 0.001 0.01 0.1

t 1 (nm

)

K1/K

2

second asymptote

first asymptote

t1=1.23 nm

t1=2.8 nm

K1/K

2= 0.06

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

Measurement of the exchange stiffness Measurement of the exchange stiffness constant in FePd thin films constant in FePd thin films

By X-ray Resonant Magnetic ScatteringBy X-ray Resonant Magnetic Scattering

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

Collaborazione con CEA/Grenoble, Laboratoire de Cristallographie, Grenoble, LURE, Orsay

• FePd films with Perpendicular Magnetic Anisotropy

• Measurement of T dependence of the exchange stiffness constant up to 400 °C

• X-ray Resonant Magnetic Scattering (XRMS)• measurement of both the stripe domain

nucleation field and of the domain width at nucleation

1

RisultatiRisultati

0

3.5 105

0

2 10-11

0 150 300 450T(°C)

Ku(J

/m3 )

A(J

/m)

WP1 – Attività 2WP1 – Attività 2

1

MagnetometriaMagnetometria

Tecniche convenzionaliTecniche convenzionali– MAGLABMAGLAB platform platform (AC susceptometer 10Hz-

10KHz, DC Extraction Magnetometer, Transport Measurement Probe), 1.7-400K, in 7 T longitudinal fields. Low fields operation (10 nT), by a 3-axis Helmholtz cage platform;

– DSMDSM-8 stationary pendulum-8 stationary pendulum; field 2 T, 1.8-1000 K– SQUID magnetometer/susceptometerSQUID magnetometer/susceptometer MPMS XL5,

field 5 T, 1.9-400 K, 0.01 Hz - 1 kHz, ac field 20 nT-2 mT (ultra-low field)

WP4 – WP4 – Attività Attività 44

1

MagnetometriaMagnetometria

Tecniche specialiTecniche speciali– Cantilever Torque MagnetometerCantilever Torque Magnetometer, nominal torque

sensitivity is 1.5×10-7Nm/pF@5 T – Vibrating Wire SusceptometerVibrating Wire Susceptometer: up to 1200 K, 200

K/min, field 2 T - 5 mT, sensitivity 10-11 Am2/Hz1/2

– ac loop tracer:ac loop tracer: frequency 10-10000 Hz and AC field up to 5 mT

– Transverse susceptibilityTransverse susceptibility in 2T fields (see above MAGLAB operation)

– Second harmonic complex susceptibilitySecond harmonic complex susceptibility(see above MAGLAB operation)

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

MagnetometriaMagnetometria

Tecniche in fase di sviluppoTecniche in fase di sviluppo:– ATOMATOM (activated torsion oscillation

magnetometer) Risonanza meccanica di una lamina vibrante

azionata dalla coppia agente sul campione fissato alla estremità per effetto di un campo ac

Prototipo 1 realizzato Sensibilità attesa 0.510-11 Am2

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

Principi base dell’ATOMPrincipi base dell’ATOM

mechanical resonance of a millimeter-size cantilever

shape anisotropy of thin films

Displacement amplitude detection: the cantilever “transduces”

rotation in displacement. We exploit this circumstance in the

adopted detector : CAPACITY

Torque magnetometer : the ATOM is practically insensitive to

the contribution of the substrate

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

sample

Hx

Hy

x

y

z

Schema di principioSchema di principioWP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

Il primo prototipoIl primo prototipo

O(fc): carrier frequency

oscillator

O(fm): modulation

frequency oscillator

D: capacitance

radio detector

L: lock-in amplifier

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

Primi esperimentiPrimi esperimenti

-3 10-6

0

3 10-6

-2

0

2

-100 0 100

m(A

.m2 )

m(a

.u.)

0H(mT)

m(A

m2 )

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4

1

Primi esperimentiPrimi esperimenti

-0.0004

-0.0003

-0.0002

-0.0001

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

-100 -50 0 50 100

Fe/Co

M(a

.u.)

H(Oe)

WP4 – Attività 4WP4 – Attività 4