1 Progetto FIRB : microsistemi basati su materiali magnetici innovativi strutturati su scala...

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  • 1 Progetto FIRB : microsistemi basati su materiali magnetici innovativi strutturati su scala nanoscopica (microsistemi e nanomateriali magnetici) Unit Operativa: Universit di Parma Responsabile: Giovanni Asti Gruppo Magnetismo e Materiali Magnetici G. Asti, M. Ghidini, M. Solzi, Coll.: M. Mulazzi, F.M. Neri, R. Pellicelli, P. Podini WP1, Sensori, microattuatori e micromagneti WP4, Diagnostica
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  • 1 Magneti permanenti a film sottile I 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 Attivit 2
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  • 1 Magneti nano-compositi Attuale obiettivo tecnologico: Attuale obiettivo tecnologico: sviluppo di magneti permanenti dalle prestazioni eccezionali per MEMS e magnetoelettronica (elevata densit di energia) possibile soluzione : possibile soluzione : magneti compositi ottenuti combinando le migliori propriet di un materiale magnetico soft (elevata M r ) e di uno hard (grande H c ) tramite laccoppiamento di scambio su una scala nanometrica. In particulare multistrati orientati in linea di principio possono raggiungere il limite teorico di 1 MJ/m 3 per la densit di energia [ R. Skomski, J.M.D. Coey, Phys. Rev. B 48 (1993) 15812 ]. WP1 Attivit 2
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  • 1 Compositi magnetici planari hard/soft micromagnetica Sistemi artificiali descrizione micromagnetica Diagramma di fase tailoring Diagramma di fase magnetico come strumento per il tailoring Risultati: Suscettibilit critica Suscettibilit critica, campi critici, ruolo della microstruttura Nucleazione Nucleazione e sganciamento di parete Anisotropia perpendicolare Anisotropia perpendicolare, disallineamento, disaccoppiato Magnete disaccoppiato Indicazioni emerse: magnete rigido Non il magnete spring (ES) ma il magnete rigido (RM) massima densit di energia Nanostrutturazione Nanostrutturazione spinta anisotropia dinterfaccia anisotropia dinterfaccia ferri- o antiferro fase hard ferri- o antiferro-magnetica WP1 Attivit 2
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  • 1 Il diagramma di fase magnetica sistema composito Fe/NdFeB. Linea delle biforcazioni Magnete disaccoppiato (DM) Magnete rigido (RM) Magnete Exchange-spring (ES) H c2 =H c1 H c1 H c2 c 0 Linea critica c H c1 H c2 WP1 Attivit 2
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  • 1 Compositi magnetici planari hard/soft Problemi aperti: scambio Interazione di scambio allinterfaccia soft compositi ad alta % soft Coercitivit Comprensione dei meccanismi schiere reticoli e schiere di micromagneti (< 1 m) Morfologia Granulometria, tessitura Fase soft amorfa, soft/hard isomorfi multistrati WP1 Attivit 2
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  • 1 Reversal nei bistrati hard-soft Descrizione dellinversione 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 H c1 (o campo di exchange-bias ), al quale i momenti magnetici incominciano a deviare dalla direzione facile in modo non uniforme. Linversione irreversibile dellintero sistema avviene poi al campo di reversal H c2. il bistrato equivalente a un multistrato sotto condizioni al contorno periodiche W. Andr, 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. WP1 Attivit 2
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  • 1 Il modello micromagnetico Modello monodimensionale del continuo Energia libera: Problema variazionale La inclusione di termini di ordine pi elevato (4 ) consente di ottenere lespressione analitica della suscettibilit critica c t 1 = ( x 0 x 1 ), t 2 = ( x 2 x 0 ) Semi-spessori degli strati WP1 Attivit 2
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  • 1 La suscettibilit critica diagramma difase t 1 e t 2 c definisce un diagramma di fase nel piano dei semi-spessori degli strati t 1 e t 2 WP1 Attivit 2
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  • 1 Il campo di depinning campoH dw depinning) Lespressione analitica del campo H dw di disancoraggio (depinning) della parete di dominio : tipici campicoercitivi E interessante notare che questo campo dello stesso ordine di grandezza dei tipici campi coercitivi dei magneti permanenti massivi Nel caso di un sistema Fe/NdFeB : H dw = 0.54 MA/m, che circa il 10% del campo di anisotropia H A2 della fase hard. WP1 Attivit 2
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  • 1 The ES case: critical fields Bifurcation Bifurcation of the iso-field lines in the ES region: nucleation (H c1 ) and reversal (H c2 ) critical fields Numerical evaluation of the demagnetization curves: SmCo/Fe multilayer 2t 2 = 20 nm fixed ( SmCo ) t 1 variable ( Fe ) H c [MA/m] H c1 H c2 WP1 Attivit 2
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  • 1 Influence of intrinsic layer parameters WP1 Attivit 2
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  • 1 Measurement of the exchange stiffness constant in FePd thin films By X-ray Resonant Magnetic Scattering WP1 Attivit 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
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  • 1 Risultati WP1 Attivit 2
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  • 1 Magnetometria Tecniche convenzionali MAGLAB platform MAGLAB 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; DSM -8 stationary pendulum DSM -8 stationary pendulum; field 2 T, 1.8-1000 K SQUID magnetometer/susceptometer SQUID 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 Attivit 4
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  • 1 Magnetometria Tecniche speciali Cantilever Torque Magnetometer Cantilever Torque Magnetometer, nominal torque sensitivity is 1.510 -7 Nm/[email protected] T Vibrating Wire Susceptometer Vibrating Wire Susceptometer: up to 1200 K, 200 K/min, field 2 T - 5 mT, sensitivity 10 -11 Am 2 /Hz 1/2 ac loop tracer: ac loop tracer: frequency 10-10000 Hz and AC field up to 5 mT Transverse susceptibility Transverse susceptibility in 2T fields (see above MAGLAB operation) Second harmonic complex susceptibility Second harmonic complex susceptibility(see above MAGLAB operation) WP4 Attivit 4
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  • 1 Magnetometria Tecniche in fase di sviluppo Tecniche in fase di sviluppo: ATOM ATOM (activated torsion oscillation magnetometer) Risonanza meccanica di una lamina vibrante azionata dalla coppia agente sul campione fissato alla estremit per effetto di un campo ac Prototipo 1 realizzato Sensibilit attesa 0.5 10 -11 Am 2 WP4 Attivit 4
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  • 1 Principi base dellATOM 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 Attivit 4
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  • 1 sample HxHx HyHy x y z Schema di principio WP4 Attivit 4
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  • 1 Il primo prototipo O(f c ): carrier frequency oscillator O(f m ): modulation frequency oscillator D: capacitance radio detector L: lock-in amplifier WP4 Attivit 4
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  • 1 Primi esperimenti WP4 Attivit 4
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  • 1 Primi esperimenti WP4 Attivit 4