Voltagem vs ∆T em multicamadas FM/AF/NM

Nesta etapa do trabalho, devido a problemas com a célula peltier usada na obtenção das medidas da Seção 6.2, foi necessário adaptar outro módulo peltier na montagem. Todos os resultados a seguir foram obtidos com a nova montagem. A Figura 6.16 mostra a relação entre a corrente DC IP ELT IERaplicada na célula e o correspondente ∆T alcançado. Os ∆T ’s

atingidos são menores do que aqueles possibilitados pela outra montagem.

Figura 6.16: Relação direta entre a corrente aplicada na célula peltier e a diferença de temperatura obtida. As temperaturas Tbe Tpforam medidas com termopares.

Aqui, apresentaremos os resultados experimentais de medidas de voltagem devido à aplicação de gradiente de temperatura em amostras das séries Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Cr(3 nm) e Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Ta(3 nm). O principal objetivo é caracteri- zar a dependência entre a espessura do material AF, que nesse caso é o NiO, com a voltagem medida. Dessa forma, saber o potencial ganho de eficiência da geração de voltagem. Essa eficiência é traduzida em um parâmetro S que consiste na razão entre voltagem gerada na superfície da amostra e a diferença de temperatura aplicada.

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO93

Figura 6.17: Os contatos elétricos são dispostos na superfície da amostra, perpendiculares à face maior.

Em cada amostra da série Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Cr(3 nm), foram aplicados diferentes gradientes térmicos. Quando o gradiente é invertido, a histerese térmica também é invertida, como pode ser verificado nos gráficos da Figura 6.18 que mostram histereses térmicas, com a espessura do NiO assumindo valores distintos. Para cada amostra são apre- sentadas medidas usando três ∆T (−1.31 K, 1.05 K e 2.2 K). As coercividades observadas são compatíveis com a coercividade da histerese magnética de filmes magnéticos de Py.

Fenomenologicamente, a voltagem gerada nesse tipo de medida tem uma relação de proporcionalidade com a diferença de temperatura aplicada na amostra. O coeficiente S que as relacionam representa a eficiência do processo de geração de voltagem na superfície da amostra. No caso de amostras FM/AF/NM, os mecanismos que podem estar envolvidos são o ANE e ISHE. A possibilidade da existência de uma contribuição do ANE deve-se a um mecanismo de aderência da camada de NiO à superfície do Py ocorrido na deposição das amostras, podendo ocasionar buracos. Como consequência, o Py pode estar em contato elétrico com o metal NM (Cr ou Ta) condutor.

Essa relação de proporcionalidade pode ser diretamente verificada ao se medir a amplitude da histerese térmica para vários ∆T ’s. Essa medida foi realizada para todas as amostras da série, sendo possível então extrair o coeficiente S de cada uma, ou seja, sua eficiência na geração de voltagem. A Figura 6.19 mostra o gráfico de V vs ∆T para as amostras Si(111)/Py(20 nm)/NiO(20 nm)/Cr(3 nm) e Si(111)/Py(20 nm)/NiO(20 nm)/Ta(3 nm). O campo elétrico gerado entre os contatos, paralelo à superfície do filme, pode ser composto por contribuições da naturezas distintas como ISHE, ANE, AHE e AMR. Há uma

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO94

(a) (b)

(c) (d)

Figura 6.18: A Figura mostra medidas de tensão gerada por gradientes de temperatura em tricamadas Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Cr(3 nm), onde a espessura do NiO assume os valores 5nm, 10 nm, 15 nm e 20 nm.

dependência linear entre este campo elétrico e o gradiente térmico aplicado na amostra, como mostra a equação a seguir [76]:

E = S∇T(P y,N iO). (6.13)

∇T(P y,N iO) é o gradiente térmico aplicado nas camadas de Py e NiO, uma vez que elas

estão diretamente envolvidas na geração de voltagem. Este gradiente, por sua vez, pode ser relacionado ao ∆T total entre a base e a superfície da amostra,de forma semelhante à que foi mostrada na seção 6.3.

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO95

A partir dessa inclinação da curva V vs ∆T , obtém-se o campo elétrico gerado entre os contatos, que por sua vez está relacionado à voltagem através da equação:

∆V = Z

~

E · d~l ⇒ ∆V = Ed, (6.14)

onde d é a distância entre os contatos na superfície da amostra. Usando a equação 6.13:

∆V = (S∇T(P y,N iO))d, (6.15)

(a) (b)

Figura 6.19: Amplitude da voltagem medida em função de ∆T nas amostras (a) Si(111)/Py(20 nm)/NiO(20 nm)/Cr(3 nm) e (b) Si(111)/Py(20 nm)/NiO(20 nm)/Ta(3 nm).

que após manipulação algébrica resulta em:

∆V = Sd tP y + tN iO  tSi kSi + tP y kP y + tN iO kN iO + tCr kCr  _t P y kP y + tN iO kN iO  ∆T, (6.16) onde Sd tP y+ tN iO  tSi kSi + tP y kP y + tN iO kN iO + tCr kCr  _t P y kP y + tN iO kN iO  = inclinação (6.17)

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO96

Esse resultado possibilita ainda descrever o comportamento do coeficiente S em função da espessura da camada AF, com objetivo de descobrir a influência da camada AF na geração de voltagem.

(a) (b)

Figura 6.20: Amplitude da voltagem medida em função de ∆T nas séries (a) Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Cr(3 nm) e (b) Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Ta(3 nm).

O gráfico da Figura 6.21 representa os valores de S para para sete espessuras da camada AF. Os círculos vermelhos são referentes à série cuja camada superior é de Cr; os quadrados representam os valores de S para a série onde o Cr é substituído pelo Ta; O símbolo azul; as linhas sólidas são guias para os olhos. Portanto, 15 amostras foram utilizadas na composição deste gráfico.

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO97

Figura 6.21: Relação direta entre a corrente aplicada na célula peltier e a diferença de temperatura obtida. As temperaturas Tbe Tpforam medidas com termopares.

Um ponto relevante nos resultados, é a evidência de que a espessura do material AF, nesse caso o NiO, tem influência no processo de geração de voltagem. Para a série onde o Cr faz o papel de conversão de ~Js em ~Jc, observa-se que para espessuras entre 3 nm e 5 nm

da camada de NiO, o valor de ∆V sofre significativo acréscimo, o que é um indício de que especialmente para essas espessuras, o NiO funciona como um amplificador de corrente de spin. Para tN iO =3 nm, o ganho em relação às amostras com tN iO acima de 15 nm ultrapassa

100%. O ponto azul corresponde ao S da amostra sem qualquer outro material depositado sobre a camada de NiO. O incremento na geração de voltagem pode ser atribuído ao aumento da corrente de spin, que por sua vez relaciona-se à flutuação de de magnons na camada AF que carregam a excitação injetada pela camada FM através da interface. Também a equação 6.17, ao isolarmos S, indica um decaimento exponencial, que corresponde ao comportamento de S em função de tN iO para as amostras da série Si(111)/Py(20 nm)/NiO(t nm)/Cr(3 nm).

O valor de S para a amostra Si(111)/Py(20 nm)/NiO(25 nm) (símbolo azul) não era esperado, pois em princípio, a camada de NiO sobre a qual foram feitos os contatos elétricos deveria ter alta resistência elétrica, uma vez que o NiO é um material isolante. No entanto, foi possível medir a voltagem na amostra. Esse resultado pode estar ligado a uma má formação do filme de NiO depositado sobre a camada de Py, possibilitando a existência

6.4. GERAÇÃO DE VOLTAGEM EM SISTEMAS FM/AF/NM POR GRADIENTE TÉRMICO98

de buracos nanométricos, resultando em um curto circuito através da camada de Py. A resistência elétrica entre contatos na superfície do filme foi de 1,3 kΩ.

A série com o Ta substituindo o Cr não apresentou grande variação do coeficiente S. No entanto, há uma queda sutil no valor do coeficiente para a amostra cuja camada de Ta possui 3 nm de espessura. Portanto, em ambas as séries foi verificada a variação da eficiência na geração de voltagem a partir do gradiente térmico.

Além das contribuições do ANE e do ISHE para a voltagem medida entre os con- tatos, é possível que haja também contribuições referentes ao HE (Hall Effect ) e ao AHE (Anomalous Hall Effect ), considerando que a camada de NiO não cumpriu o papel como camada isoladora entre os filmes de Py e NM (Cr e Ta).

CAPÍTULO

7

CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS

7.1

Magnetorresistência perturbativa

Neste trabalho desenvolvemos a técnica de PMR e obtivemos resultados em diferentes tipos de sistemas magnéticos. Em filmes finos com anisotropia uniaxial, os resultados de PMR em função do módulo do campo magnético ~HDC revelaram resultados com grande

reprodutibilidade. As curvas experimentais de PMR apresentam picos pronunciados em torno dos campos de reversão da magnetização da amostra.

Desenvolvemos o modelo teórico que explica com boa precisão os resultados expe- rimentais de PMR. As equações 4.5 e 4.6 que obtivemos mostram a dependência do sinal de PMR com a primeira derivada da magnetorresistência em relação à posição de equilíbrio vezes a segunda derivada da densidade volumétrica de energia magnética. Em resumo, uma dependência com a posição de equilíbrio da magnetização da amostra que, por sua vez, é obtida a partir de cálculos numéricos de minimização da energia livre magnética do sistema. Com isso, os sistemas mais simples, como filmes finos com anisotropia uniaxial, e sistemas mais complexos como bicamadas FM/AF puderam ser explicados teoricamente.

Para o filme Si(100)/Py(36 nm) (deposição oblíqua), demonstramos a concordância

7.1. MAGNETORRESISTÊNCIA PERTURBATIVA 100

entre os resultados de PMR, MR e VSM. Através de cada uma dessas medidas realizadas com o campo magnético ~HDC aplicado na direção do eixo fácil de anisotropia, foi possível

identificar as regiões de campo magnético ~HDC para os quais a magnetização da amostra está

saturada e não saturada. As transições em campo observadas no sinal de PMR coincidem com os campos magnéticos de reversão da magnetização observados nas medidas de MR e VSM (aproximadamente −37 e +37 Oe).

Quando o campo ~HDC é aplicado na direção do eixo duro de magnetização da mesma

amostra, picos pronunciados são observados em torno de 50 Oe. No entanto, para esse valor de campo magnético, a magnetização do filme não está saturada. Este campo de transição está relacionado ao processo de nucleação de domínios magnéticos na amostra [22, 79].

A amplitude do sinal de PMR cresce linearmente com a corrente elétrica DC e a amplitude do campo magnético ~hac. Porém, o aumento da corrente elétrica sobre a amostra

não causa mudanças nos campos de reversão da magnetização, o que ocorre quando o módulo de ~hac é elevado. Dessa forma, trabalhamos com intensidades de ~hac abaixo de 3 Oe.

Focamos também na variação angular do sinal de PMR. Para a amostra Vidro/Py (22 nm), um sistema com anisotropia uniaxial induzida na deposição, pudemos verificar uma contundente concordância dos nossos resultados numéricos com as curvas experimentais. Usamos três valores de CM (módulo do campo magnético DC externo). Para CM = 10 Oe, notamos uma inversão abrupta do sinal de PMR angular em torno dos ângulos 90◦ e 270◦ (eixo duro), que interpretamos como o aumento da susceptibilidade devido à competição entre o campo de anisotropia e o campo ~HDC. Os picos são pronunciados pelo fato do CM ser um

campo magnético próximo ao valor do campo coercitivo da amostra. Notamos ainda que a maior amplitude de sinal ocorre para CM próximo ao campo de reversão da magnetização.

A PMR angular na amostra MgO[100]/Fe monocristalina mostrou transições abrup- tas nas posições angulares cujo campo magnético é aplicado nas direções dos eixos duros. Em suas proximidades, para CM = 300 Oe e CM = 400 Oe (campos próximos ao campo de anisotropia cúbica da amostra), a competição entre campo externo e campo de anisotropia possibilitam maior sensibilidade da magnetização à ação do campo oscilatório ~hac, por isso

o surgimento de picos nessa região. Quando CM = 800 Oe, a magnetização acopla-se mais fortemente ao campo externo e fica menos vulnerável à ação do campo oscilatório, o que pode

7.1. MAGNETORRESISTÊNCIA PERTURBATIVA 101

ser notado com a diminuição da amplitude do sinal.

Os resultados de PMR angular para as bicamadas Si(100)/Py(10 nm)/IrMn(tIrM n),

com tIrM n = 2nm, 5 nm, 10 nm, 15 nm, mostram que para espessuras da camada AF de

IrMn mais baixas, como não há exchange bias, os resultados se aproximam do observado em amostras simples apenas com anisotropia uniaxial. Para tIrM n = 10 nm, onde Heb = 46 Oe

e há incremento na coercividade magnética da amostra (o que segundo o modelo de Geshev é uma evidência da anisotropia rotatória na medida de VSM), a PMR angular apresenta significativa redução em sua amplitude e ausência de transições abruptas. Quando tIrM n = 15

Oe, Heb = 86 Oe e as curvas de PMR angular apresentam maior amplitude em torno da

direção da anisotropia unidirecional. A competição entre o campo externo apontando em um sentido e o Heb apontando para o sentido oposto permitem que a magnetização fique mais

susceptível à ação do campo oscilatório.