Nanofios bi-segmento isolados

Nesta seção se mostra como a variação nas dimensões do nanofio bi-segmento, por meio de mudança no segmento com maior diâmetro, afeta a inversão da magnetização no nanofio. Para esse estudo, primeiramente se variou o comprimento (L) do segmento com maior diâmetro, mantendo-se constante o diâmetro (D) deste segmento e o diâmetro e o comprimento do segmento com menor diâmetro (denotados por d e l, respetivamente). Foi escolhida a seguinte nomenclatura para especificar essa série: bi-segmentoL1.4 e bi-

segmentoL3.2, pois se está variando unicamente o comprimento do segmento de maior

diâmetro. As dimensões se encontram expostas na Tabela 4.2. Nestas simulações, o tamanho da célula usado foi de 2.5 x 2.5 x 10 nm3.

Outra série de nanofios bi-segmento também foi simulada. Neste caso, foi variado o diâmetro do segmento que apresenta um maior diâmetro, mantendo-se constante o comprimento deste segmento e o diâmetro e comprimento do segmento com diâmetro menor. A nomenclatura usada para este sistema foi bi-segmentoDi onde i corresponde ao diâmetro em

nm. As dimensões se encontram expostas na Tabela 4.2. Nestas simulações, o tamanho de célula usado foi de 2.5 x 2.5 x 10 nm3, com exceção dos nanofios bi-segmentoD60 e bi-

segmentoD64 o qual foi de 2 x 2 x 10 nm3.

O estudo da inversão da magnetização em nanofio bi-segmento feito por simulação micromagnética mostra que o modo de inversão da magnetização também ocorre por nucleação-propagação das Paredes de domínio. A nucleação acontece somente nas extremidades dos nanofios, do mesmo modo que se verifica para os nanofios de referência. Isto está em desacordo com os resultados encontrado na literatura [15], onde também foi evidenciado uma nucleação de parede de domínio na região de transição entre os diâmetros. A diferença dos resultados vem do fato de que as dimensões de cada segmento dos nanofios não são as mesmas, sendo sempre menores do que o reportado na literatura.

A estrutura da parede de domínio nucleada nas extremidades dos nanofios depende do diâmetro, conforme já proposto na literatura [63]. No caso dos nanofios bi-segmento(L1.4, L3.2, D45, D50), como esperado, a estrutura da parede que se nucleia no segmento de 35 nm de

diâmetro é transversal (em todos os casos). Essa parede de domínio, ao se propagar, rotaciona em forma espiral [63]. O segmento com maior diâmetro desses nanofios não apresenta uma nucleação de parede de domínio vórtex convencional, como no caso da parede nucleada no nanofio referênciaR50. Na Figura 4.6 podemos ver que as componentes médias da

magnetização são diferentes de zero, mas distintas da parede transversal. A partir de agora chamaremos tal estrutura de estrutura de parede helicoidal-vórtex (h-v). A parede h-v apresenta um alongamento do tipo “rosca” e, quando se propaga rotaciona ao longo do nanofio [Figura 4.7 (a)], enquanto o núcleo da parede segue um caminho espiral como visto na Figura 4.7 (b). Uma estrutura similar foi obtida por Tejo et al. [68] porém seus resultados não foram discutidos. Nós atribuímos, pela primeira vez, que a estrutura da parede de domínio h-v surge devido à presença da parede transversal no segmento de diâmetro menor. Nossa hipótese é fundamentada por dois pontos. O primeiro está relacionado ao movimento helicoidal do núcleo de um vórtex, por consequência de um campo magnético alternado de amplitude máxima de 4 Oe, aplicado no plano de um disco magnético, como já demostrado na literatura [69].

Nanofios D (nm) d (nm) L (m) l (m) Estrutura da parede bi-segmentoL1.4 50 35 1.4 3.2 h-v T bi-segmentoL3.2 50 35 3.2 3.2 h-v T bi-segmentoD45 45 35 2.4 3.6 h-v T bi-segmentoD50 50 35 2.4 3.6 h-v T bi-segmentoD60 60 36 2.4 3.6 V NN bi-segmentoD64 64 36 2.4 3.6 V NN

Tabela 4.2: Dimensões e estrutura da parede de domínio nucleada em cada segmento dos nanofios bi-segmento.

As estruturas das paredes são abreviadas; h-v (helicoidal-vórtex), V (vórtex) e T (transversal). A abreviação NN indica que não se nucleou Paredes de domínio.

Segmento d Segmento D

Figura 4.6: Valores médios das componentes da magnetização nas direções x, y e z para o nanofio bi-segmentoL1.4. Na parte de cima se mostra uma representação tridimensional da

inversão da magnetização no nanofio. Nos insets da figura se mostram uma ampliação das componentes médias da magnetização.

O segundo ponto é fundamentado numa simulação micromagnética feita neste trabalho, em colaboração com o Dr. Diego Salazar Aravena, onde o diâmetro de cada segmento do fio bi-segmento está acima do Dcrítico (não mostrado). Neste caso, se nucleia

apenas paredes tipo vórtex nas extremidades do nanofio e, ao se propagar, não há mudanças na sua estrutura.

A proposta de nossa hipótese, para explicar o surgimento de uma parede tipo helicoidal-vórtex nos nanofios bi-segmento, é que a parede transversal, nucleada no segmento com menor diâmetro, cria um campo alternado devido a sua característica de propagação espiral. Este campo influencia no segmento de diâmetro maior, modificando a estrutura da parede que se nucleia e propaga nesse segmento, obtendo-se assim a parede helicoidal-vórtex.

Figura 4.7: (a). Esquema mostrando uma visão de frente do segmento de diâmetro maior do nanofio bi-segmentoL1.4. A inversão da magnetização se dá por nucleação-propagação de

parede helicoidal-vórtex e (b) vista superior do nanofio duplo-diâmetro mostrando o caminho helicoidal do núcleo da parede de domínio.

Como já dito acima, a inversão total da magnetização nos nanofio bi-segmentoL1.4, L3.2 ocorre por nucleação-propagação de paredes de domínio. Porém, o tempo para iniciar a

propagação, uma vez nucleada a parede, varia entre os nanofios. A Figura 4.8 apresenta a evolução temporal da parede de domínio em cada extremo do nanofio bi-segmento a partir da nucleação. No nanofio bi-segmentoL1.4 [Figura 4.8 (a)], primeiro se nucleia a parede h-v no

segmento de diâmetro maior, sem ocorrer a propagação. Depois, nucleia a parede tipo transversal no segmento de diâmetro menor. Uma vez que as duas paredes estão nucleadas, inicia a propagação conjunta em direção ao centro do nanofio. No entanto, no nanofio bi- segmentoL3.2 [Figura 4.8 (b)], uma vez nucleada no segmento de maior diâmetro, a parede h-v

se propaga, sem chegar a se propagar a parede transversal no segmento de diâmetro menor. Depois que a parede h-v avança certa distância ao longo do segmento de diâmetro maior, a parede transversal se nucleia e propaga em direção ao centro do nanofio até a inversão total da magnetização. Sendo assim, a variação no comprimento do segmento com diâmetro maior, altera significativamente o tempo no qual a parede de domínio inicia a se propagar.

(a)

Núcleo

Finalmente, quando a parede de domínio h-v alcança a zona de transição dos diâmetros, transforma-se em uma parede transversal devido à variação no diâmetro, similar ao encontrado por R. Hertel, et al. [63]. Em seguida, a parede continua sua propagação até completar a inversão total da magnetização do nanofio sem se evidenciar travamento da parede de domínio na interface entre os diâmetros.

Figura 4.8: Esquemas representando a evolução no tempo t da nucleação e propagação das Paredes de domínio para os nanofios (a) bi-segmentoL1.4 e (b) bi-segmentoL3.2 (t1 < t2 < t3).

Com o propósito de estudar a influência da modulação do diâmetro dos nanofio sobre a velocidade de propagação média da parede de domínio, foi comparada a velocidade de propagação dos nanofios de referência(R35 e R50) com a velocidade dos nanofios bi-

segmento(L1.4 e L3.2). Encontrou-se que as Paredes de domínio nucleadas nas extremidades

dos nanofios bi-segmento têm uma velocidade de propagação média menor do que no caso dos nanofios de referência. A velocidade de propagação da parede transversal no nanofio referênciaR35 é 245 ms-1 e, a parede transversal que se nucleia no segmento de menor

diâmetro, em ambos nanofios bi-segmento, tem uma velocidade de 152 ms-1. Além do mais, este valor da velocidade não se modifica quando a parede h-v muda para uma transversal na região de transição entre os diâmetros. No nanofio referênciaR50, a velocidade de propagação

t1 t2

t3

(a)

Parede h-v _{Parede T} Parede h-v

bi-segmentoL1.4

(b)

bi-segmentoL3.2

t1 t2

da parede vórtex é 594 ms-1 e, para os nanofios bi-segmento, a velocidade de propagação é menor (455 ms-1). Os valores da velocidade de propagação das Paredes de domínio são os mesmos para ambos nanofios bi-segmento. A mudança das velocidades de propagação das Paredes de domínio entre os nanofios bi-segmento e referência pode ser uma consequência da diferença dos campos de nucleação para cada sistema.

Por outro lado, o campo gerado por um nanofio bi-segmento apresenta duas diferentes intensidades nas extremidades, como evidenciado na Figura 4.9. Esta diferença de campo se manifesta devido à variação do diâmetro em cada segmento do nanofio bi-segmento, a qual pode ser observada melhor na Figura 4.10. Na região de transição entre os diâmetros o campo é complexo. Neste trabalho, não se considerou o campo nesta região, pois neste caso ele tem contribuições positivas e negativas, as quais se poderiam sobrepor trazendo consigo um campo nulo ou pequeno em comparação daquele obtido nas extremidades do nanofio. Da escala de cor da Figura 4.9, se observa que a intensidade do campo é negativa, similar ao caso do campo gerado por um nanofio de referência (Figura 4.5). Então, a interação entre os nanofios bi-segmento vizinhos se pode aproximar por uma interação dipolar desmagnetizante.

Figura 4.9: Seção transversal axial do campo de desmagnetização de um nanofio bi-segmento saturado axialmente. Diagrama construído a partir de simulações micromagnéticas para nanofios: (a) bi-segmentoL1.4 e (b) bi-segmentoL3.2. A escala do campo desmagnetizante foi

Figura 4.10: Intensidade do campo desmagnetizante na borda de cada segmento de um nanofio bi-segmentoD60.

Por outro lado, a nucleação das paredes de domínio nos nanofio bi-segmento(D60 e D64), ocorre apenas no extremo com diâmetro maior, sem se observar nucleação no outro

segmento. O tipo de parede que se nucleou no segmento maior desses nanofio foi vórtex. A partir disso, podemos argumentar mais uma vez nossa hipótese da necessidade da parede transversal para a criação de uma parede h-v no nanofio com dois diâmetros. Os nanofios bi- segmento(D60 e D64)apresentam travamento da parede de domínio quando elas passam pela

interface, onde ocorre a modulação do diâmetro. Neste caso, uma parede vórtex se nucleia no segmento de diâmetro maior e se propaga ao longo do mesmo, como mostrado nas Figuras 4.11 (a) e (b) para diferentes tempos de propagação. Posteriormente, a parede vórtex é travada quando passa pela interface entre os diferentes diâmetros e sai dessa configuração com o aumento do campo magnético aplicado, representado na Figura 4.11 (c) como H. Depois, saindo da interface, a parede de domínio vórtex se transforma numa parede transversal até a inversão total da magnetização [Figura 4.11 (d)].

Figura 4.11: Esquemas representando a evolução no tempo da (a) nucleação e (b) e (d) propagação da parede de domínio para os nanofios bi-segmentoD3 e bi-segmentoD4. (c)

Travamento da parede de domínio que pode sair dessa configuração aumentando o campo magnético aplicado por H. O tempo representado aqui segue t1 < t2 < t3 < t4.

O comportamento magnético dos nanofios bi-segmento(L1.4, L3.2, D45 e D50),

evidenciado por curvas de magnetização, apresenta um salto abrupto como no caso dos nanofios de referência (Figura 4.12). Isso indica que não há travamento da parede de domínio na interface onde ocorre a modulação do diâmetro, embora a estrutura da parede de domínio passa de helicoidal-vórtex para transversal. Em comparação, o comportamento magnético dos nanofios bi-segmentoD60 e bi-segmentoD64 apresentam curvas de histerese com um “platô”,

características de travamento de parede de domínio, como mostrado na Figura 4.13.

Figura 4.12: Curvas de magnetização, para os nanofios bi-segmento(L1.4, L3.2, D45 e D50). As

curvas apresentam um salto abrupto na inversão da magnetização. (a)

t

t

t

t

Figura 4.13: Curvas de magnetização para os nanofios bi-segmento(D60 e D64).

Comparando as simulações micromagnéticas para os casos dos nanofios bi-segmento, encontramos que é mais plausível ter travamento da parede de domínio quando há uma maior diferença entre os diâmetros em comparação ao caso de uma diferença entre os comprimentos. Especificamente, quando a razão entre os diâmetros é maior que 1.70, existe travamento da parede de domínio na interface onde ocorre a modulação do diâmetro. Não foi evidenciado travamento de parede de domínio variando a razão entre os comprimentos dos segmentos do nanofio bi-segmento. No entanto, esta conclusão foi obtida baseada somente nas dimensões dos nanofios bi-segmento indicados na Tabela 4.2.