Investigação de relaxação e anisotropias magnéticas em filmes obliquamente depositados

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(1)UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO DEPARTAMENTO DE FÍSICA – CCEN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM FÍSICA. DISSERTAÇÃO DE MESTRADO INVESTIGAÇÃO DE RELAXAÇÃO E ANISOTROPIAS MAGNÉTICAS EM FILMES OBLIQUAMENTE DEPOSITADOS por. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Física do Departamento de Física da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do título de Mestre em Física.. Banca Examinadora: Prof. Antonio Azevedo da Costa (Orientador – UFPE) Prof. Lucio Hora Acioli (DF - UFPE) Prof. Daniel Reinaldo Cornejo (IF - USP). Recife – PE, Brasil Julho – 2009.

(2) Mendes, Joaquim Bonfim Santos. Investigação de relaxação e anisotropias magnéticas em filmes obliquamente depositados / Joaquim Bonfim Santos Mendes. - Recife : O Autor, 2009. xx, 105 folhas: il. fig. tab. Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Pernambuco. CCEN. Física, 2009. Inclui bibliografia. 1. Materiais magnéticos. 2. Filmes finos. 3. Ferromagnétismo. 4. Spin. I. Título.. 538.3. CDD (22.ed.). FQ 2010-005.

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(4) Dedico este trabalho ao meu pai Gercino, a minha mãe Maria, a minha tia Verbena e aos meus irmãos Eudálio, Eraldo e Euclides, por todo incentivo, confiança e carinho.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(5) Agradecimentos Ao Departamento de Física da UFPE pela excelente formação e experiência acadêmica. Ao professor Antonio Azevedo, pela orientação, pela compreensão, pelo apoio, pela cobrança nos momentos certos, pelas brincadeiras e pela amizade. Ao professor Roberto Lázaro Rodríguez Suarez pelo incentivo e amizade. Aos professores que contribuíram direta ou indiretamente para minha formação na pós-graduação, em especial: Fernando Machado, Flavio Aguiar, Jairo Rolin e Sergio Rezende. A minha namorada Marcela, pela paciência, pelo companheirismo e por proporcionar momentos de muita felicidade durante a realização desse trabalho. Aos meus colegas de laboratório Alexandre, Luis e Thiago, pelo auxílio, companheirismo e amizade. Aos demais colegas de laboratório André, Eduardo, Gilvânia e Marília pela amizade. Aos meus colegas e ex-colegas de apartamento, Paulo Renato, Plínio e Vitor, que me acolheram. Aos amigos que iniciaram o mestrado comigo, em especial: Cledson (Zé...), Igo, Lavor e Lázaro, pelo companheirismo nos momentos difíceis, pelas brincadeiras e pelas constantes discussões sobre futebol. Aos amigos que fiz no decorrer desses quase dois anos em Recife, Alcienízio (Bob Dylan), Antônio Mário (Cioba), Augusto (Marion), Karlinha, Cezar, Dani, Didi, Domingos, Douglas, Douglas (gaucho), Geovani, Gersinho, Gustavo (Fracassado), Jorlândio, Lincoln, Milrian, Mauri (Psicopata), Paulo, Rafael Otoniel, Ricardo, Vladimir, Yareni. Aos funcionários e técnicos do DF, sem citar nomes para não cometer injustiças. Aos meus professores da Graduação, em especial: Benedito Acioly, Edson, Enrique Peter Rivas Padilla, Ferdinand, Gil, Jornandes, Jorge Anderson, Ivanor, Luizdarcy, Maria Lucia, Takiya, que certamente foram os principais incentivadores para minha vinda ao Recife.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(6) Aos amigos que fiz ao longo da graduação, em especial: André, Clodoaldo, Isaac, Israel, Getúlio, Joábson, José Junior, Luciano, Mário, Moacir, Ricardo, Ronny, Salomão, Tiago (Thebas), que me apoiaram na minha decisão de fazer pós-graduação. Por fim, ao CNPq, a CAPES, a FINEP e a FACEPE pelo apoio financeiro.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(7) "A lei da colheita é obter-se mais do que plantou. Plante um ato, e colherá um hábito. Plante um hábito e você colherá um caráter. Plante um caráter e você colherá um destino.". James Alfred Van Allen. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(8) Resumo Nesta dissertação serão descritos a preparação e caracterização de filmes finos e multicamadas magnéticas nos quais foram induzidas fortes anisotropias uniaxiais durante o processo de fabricação. Para induzir anisotropias uniaxiais utilizamos o crescimento dos filmes em condições de sputtering oblíquo variando o ângulo de incidência entre o feixe de partículas e o substrato de 0o a 70o. Foram investigados filmes policristalinos de Permalloy (Py) (Ni81Fe19) crescidos sobre substratos de Si(001), filmes monocristalinos de ferro crescidos sobre substratos de MgO(001) e bicamadas do tipo exchange-bias com a composição Py/IrMn. Além do crescimento oblíquo, em alguns filmes foi aplicado um pequeno campo magnético externo durante o processo de fabricação. Como as taxas de crescimento dos filmes dependem do tipo de material e do ângulo de inclinação (), tivemos que calibrar as taxas de deposição utilizando a técnica de microscopia por força atômica. As propriedades magnéticas foram caracterizadas pelas técnicas de ressonância ferromagnética (FMR) e magnetometria por efeito Kerr magneto-óptico (MOKE). As dependências angulares do campo de FMR e da largura de linha dão informações sobre as anisotropias presentes nas amostras e sobre os processos de relaxação ferromagnética, respectivamente. Verificamos que o processo de deposição oblíquo induz uma anisotropia uniaxial cujo valor de campo varia de 0 a centenas de Oe em filmes de Py. O efeito desta forte anisotropia se reflete diretamente nos mecanismos de relaxação ferromagnética. Verificamos que para pequenos valores do ângulo de deposição  ≤ 30o apenas o mecanismo de relaxação de Gilbert está presente nos filmes de Py. Para ângulos intermediários aparece o mecanismo de dois mágnons e para ângulos  acima de 60 graus aparecem mecanismos de relaxação associados a flutuações dos campos internos de anisotropia. A dependência angular do campo de FMR dos filmes de Fe(001) investigados nesta dissertação apresentam uma simetria típica de anisotropia cúbica. As dependências angulares das larguras de linha dos filmes Fe(001) apresentam uma forte dependência com os mecanismos de relaxação. Neste caso também identificamos claramente os efeitos dos diversos mecanismos de relaxação que se superpõem. Todos os dados experimentais foram interpretados por um modelo fenomenológico que leva em consideração os termos relevantes da energia livre magnética Os parâmetros fenomenológicos extraídos dos ajustes Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(9) vii da dependência angular do campo de FMR foram utilizados para interpretar a dependência angular da linha de FMR. As medidas de curvas de magnetização também foram interpretadas pelo mesmo modelo e estão de acordo com as medidas dinâmicas realizadas por FMR.. Palavras-chave: Ressonância ferromagnética; Anisotropia uniaxial induzida; Filmes magnéticos depositados por sputtering; Relaxação magnética.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(10) Abstract This dissertation describes the preparation and characterization of thin films and magnetic multilayers in which a strong in-plane uniaxial anisotropy was induced during the growth process. In order to get strong uniaxial anisotropy the films were grown by the oblique sputtering condition in which the angle of the incident sputtered element is varied from 0o to 70o. We grew polycrystalline films of Si(001)/Cu/Ni81Fe19, single crystal films of MgO(001)/Fe and exchange coupled bilayers of Si(001)/Cu/IrMn/ Ni81Fe19. In addition to the oblique angle deposition, some samples were grown by applying an external in-plane magnetic field of ~50 Oe. As the growth rates of the films depend on the material as well as on the deposition angle (), we had to calibrate the deposition rates using the technique of atomic force microscopy, by measuring a sharp step height between the film surface and substrate. The magnetic properties were investigated by ferromagnetic resonance (FMR) and magneto optical Kerr effect magnetometry (MOKE) techniques. By investigating the angular dependence of the resonance field (HR) and linewidth (H) we were able to obtain information on the anisotropies as well as on the magnetization relaxation mechanisms. For deposition angles varying from 0o to 70o the induced in-plane uniaxial anisotropy monotonically varied from 0 to almost 300 Oe in single films of Py. This anisotropy value is directly connected to the inclined columnar microstructures that are generated by the blind effect that depends on the oblique angle of deposition. For deposition angles below 40o the angular dependence of the FMR linewidth exhibits no in-plane dependence which is a clear indication of the presence of intrinsic relaxation mechanism given by the phenomenological Gilbert damping parameter . For deposition angles above 40o the inplane dependence of the linewidth exhibits a two-fold symmetry similar to the resonance field symmetry. This is a clear signature of the two-magnon scattering damping mechanism that becomes operative for samples grown at the oblique angles between 40o and 60o. Surprisingly, as the two-magnon damping mechanism becomes active, the intrinsic damping mechanism (given by the Gilbert parameter ) displays an abrupt decrease. For angles above 60o the two mechanisms show an inverse behavior, i.e., the Gilbert damping parameter increases again and the two-magnon scattering damping decreases. For samples. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(11) ix deposited at high deposition angles ( > 70o), the FMR linewidth exhibit a contribution that comes from fluctuations associated to the anisotropy fields. In our samples we were able to investigate the contribution of each mechanism: intrinsic, two-magnon and anisotropy field fluctuations. It is important to notice that the angular dependence of the linewidth and the FMR field were numerically adjusted by taking into consideration the same set of phenomenological parameters. The in-plane dependence of the FMR field and linewidth for single crystal films of MgO(001)/Fe, grown by using the oblique angle deposition also shown a clear contribution of the induced uniaxial anisotropy. The angular dependence of both, HR and H, were interpreted by using the same approach described above. In this case, the induced uniaxial anisotropy field was superimposed to the strong four-fold cubic anisotropy of the single crystal iron films. All the experimental data were interpreted by a phenomenological model that takes into account the relevant terms of the magnetic free energy. For all the investigated cases, the phenomenological parameters, extracted from fits of the angular dependence of FMR field, were used to interpret the angular dependence of FMR linewidth. Measurements of magnetization curves were also interpreted by the same model and have been shown to agree with the FMR data.. Keywords: Ferromagnetic resonance; Induced uniaxial anisotropy; Sputtering magnetic films; Magnetization relaxation.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(12) Índice Lista de Figuras. iii. Lista de Tabelas. xi. Capítulo 1 - Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1. Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4. Capítulo 2 - Técnicas experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.1 - Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.2 - Deposição por evaporação catódica (sputtering) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5. 2.2.1 Eficiência do sputtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9. 2.2.2 Processos de sputtering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 2.2.3 Deposição por sputtering oblíquo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13. 2.3 - Ressonância ferromagnética – FMR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 2.3.1 Movimento de precessão do spin em um campo magnético . . . . . . . . . . .. 19. 2.3.2 Experimento de ressonância ferromagnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 2.3.3 Equação de dispersão para ressonância ferromagnética. . . . . . . . . . . . . . .. 28. 2.4 - Efeito Kerr magneto-óptico – MOKE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 30. 2.5 - Microscopia de força atômica – AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 2.5.1 Calibração das espessuras dos filmes depositados por sputtering. . . . . . . .. 38. Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. Capítulo 3 - Energia livre e mecanismos de relaxação magnética . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.1 – Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.2 - Energia livre magnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.2.1 - Energia Zeeman . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 3.2.2 - Energia de desmagnetização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(13) xi 3.2.3 - Energia de superfície e volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48. 3.2.4 - Energia magnetocristalina cúbica e uniaxial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.3 Bicamadas acopladas por exchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 57. 3.3.1 Acoplamento direto entre camadas FM/AF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 3.4 - Mecanismos de relaxação magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. Capítulo 4 - Resultados e discussões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.1 - Introdução. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.2 - Filmes policristalinos de permalloy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 73. 4.2.1 - Permalloy /Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 4.2.2 - Permalloy/Cu/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 79. 4.3 - Filmes monocristalinos de ferro - Fe/MgO(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 87. 4.4 - Bicamadas FM/AF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 100. Capítulo 5 - Conclusões e perspectivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101. Referências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 105. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(14) xii. Lista de figuras. 2.1. Sistema típico de deposição por sputtering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2. Visão transversal de um magnetron (a) e imagem de um magnetron cilíndrico (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.3. 12. Geometria da deposição por sputtering obliqua (a) e ilustração do suporte utilizado para fixar os substratos (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.4. 9. 14. Imagem de Microscopia Eletrônica de Transmissão para a válvula de spin Co/Cu/Co com buffer-layer de Ta (7.5 nm) depositada obliquamente com β=60º. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.5. Spin precessionando em um campo magnético (a) e visão quântica das transições de spin em um campo magnético (b). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.6. 16. 19. Ilustração do modo uniforme (a) e de onda de spin (b) em sistemas ferromagnéticos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21. 2.7. (a) Movimento de precessão da magnetização devido à aplicação de um campo magnético externo, descrito pela equação (2.8). (b) Orientação da magnetização e do campo externo aplicado em coordenadas esféricas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22. 2.8. Sinal de FMR: Forma típica da potência média absorvida que corresponde a uma Lorentziana, para largura de linha ΔH=50 Oe e campo de ressonância HR=800 Oe (a). Derivada da Lorentziana (b). Curvas experimentais de FMR para filmes de Fe que apresentam um modo de ressonância (c) e dois modos (d). Em vermelho o ajuste feito para a derivada Lorentziana simples (c) e derivada. 2.9. Lorentziana dupla (d) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25. Esquema simplificado da montagem experimental de FMR . . . . . . . . . . . . . . . . .. 26. 2.10 (a) Esquema de uma cavidade ressonante com dimensões (a, b, d) = (2.4, 1.19, 5.04) cm. (b) Distribuição dos campos elétrico e magnético dentro dessa cavidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 27. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(15) xiii Lista de Figuras 2.11 Configurações para o efeito Kerr magneto-óptico: Longitudinal (a), transversal (b) e polar (d). As setas vermelhas representam luz incidente e refletida na amostra, formando o plano de incidência. Sendo 𝐧 o vetor normal ao plano do filme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 31. 2.12 Montagem utilizada nas medidas de MOKE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32. 2.13 Imagens de Microscopia Eletrônica de Varredura de uma sonda típica para realizar imagens de topografia no regime de força repulsiva (k = 0.2 N/m); (a) imagem mostrando a sonda micro-fabricada sobre a alavanca; (b) sonda usada para medir interações com a amostra [55] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 2.14 Esquema ilustrativo dos componentes essenciais para o funcionamento de um Microscópio de Força Atômica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.15 Curva típica da força de interação existente entre átomos da sonda de um Microscópio de Força Atômico e os átomos da superfície da amostra. . . . . . . . . . 36 2.16 Imagem de AFM para um degrau de permalloy (107,5 nm) sobre substrato de vidro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 2.17 Taxa de deposição para o permalloy (azul) e o Cu (vermelho) em função do ângulo de inclinação do substrato. As taxas do permalloy e cobre respectivamente, são dadas por, 𝑡 𝑃𝑦 = 6.10505 + 0.06501𝛽 − 6.79293 × 10−4 𝛽 2 − 3.21549 × 10−5 𝛽 3 + 3.0303 × 10−7 𝛽 4. e. 𝑡𝐶𝑢 = 12.46413 −. 0.07711𝛽 + 0.01182𝛽 2 − 2.901 × 10−4 𝛽 3 + 1.72931 × 10−6 𝛽 4 . . . . . . . . . 3.1. Ilustração dos dipolos magnéticos não compensados em um material magnético elipsóide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.2. 39. 46. Ilustração mostrando o aumento da proporção de átomos que constituem a superfície à medida que o filme diminui seu volume. A proporção de átomos que pertencem à superfície é de 64% em (a), 75% em (b) e 89% em (c). . . . . . . .. 47. 3.3. Cossenos diretores da magnetização em coordenadas esféricas. . . . . . . . . . . . . . .. 50. 3.4. Medida de FMR para um filme simples de Permalloy(11.2 nm)/Si(001), onde o campo de ressonância ferromagnética no plano do filme apresenta uma anisotropia uniaxial de 68 Oe. A curva cheia representa o ajuste numérico de acordo com a expressão 3.30. Sendo o fator giromagnético 𝛾 = 2𝜋 × 2.8 𝐺𝐻𝑧 𝑘𝑂𝑒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 55. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(16) xiv Lista de Figuras 3.5. Medida da variação angular do campo de FMR no plano de um filme simples de Fe(11.2 nm)/MgO(001), onde em (a) o campo de ressonância ferromagnética no plano do filme apresenta uma anisotropia cúbica de 440 Oe. Em (b) vemos a mesma medida para um filme simples de Fe(11.2 nm)/MgO(001) que apresenta uma baixa anisotropia cúbica e uma anisotropia uniaxial no eixo fácil de magnetização. A curva cheia representa o ajuste numérico de acordo com a expressão 3.32. Sendo o fator giromagnético utilizado de. 𝛾 = 2𝜋 ×. 2.8 𝐺𝐻𝑧 𝑘𝑂𝑒. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6. 56. (a) Curvas de magnetização para esferas de Co cobertas por CoO resfriadas a temperatura de 77K, onde a linha tracejada representa amostras a campo nulo e a linha contínua refere-se a amostras submetidas a um tratamento térmico com um campo de 10kOe [5,6]. Em (b) vemos um diagrama representando a configuração de spins na bicamada FM/AF antes e depois do processo de resfriamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.7. Diagrama descrevendo a configuração ideal dos spins numa bicamada FM/AF em distintos estágios de um ciclo de histerese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.8. 3.9. 58. 60. Esquema da formação da parede de domínio no AF [17]. Por simplicidade mostramos apenas uma das sub-redes no AF. Observe que longe da interface a magnetização do AF se alinha com o eixo uniaxial no antiferromagnético, que está longo do eixo x. A figura mostra a situação na qual, o campo magnético é 62 aplicado contrário a x. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Relação de dispersão de ondas de spin. A linha tracejada em vermelho representa o conjunto de modos de ondas de spin degenerados com o modo de precessão uniforme, excitado na ressonância ferromagnética. . . . . . . . . . . . . . . .. 68. 3.10 Dependência angular da largura de linha para um filme de permalloy (120 Å) que foi ajustada numericamente utilizando a equação (3.40). O parâmetro de amortecimento de Gilbert encontrado foi de α = 0.007. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 69. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(17) xv Lista de Figuras 3.11 Dependência angular da largura de linha para um filme de permalloy (120 Å) que foi ajustada numericamente utilizando as equações (3.40) e (3.42). Portanto, para essa largura de linha aparecem contribuições de mecanismos intrínsecos (Gilbert) e extrínsecos (2-mágnons) de relaxação magnética. O parâmetro de amortecimento de Gilbert encontrado foi de α = 0.007. Também obtivemos o termo intensidade de espalhamento de 2-mágnons ao longo do eixo duro (ED) da magnetização igual γΓ 𝐸𝐷 = 1.2315 × 107 𝐻𝑧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 3.12 Dependência angular da largura de linha para um filme de permalloy (120 Å) que foi ajustada numericamente utilizando as equações (3.40), (3.42) e (3.43). Nessa largura de linha aparecem contribuições de mecanismos intrínsecos (Gilbert) e extrínsecos (2-mágnons e mozaicidade) de relaxação magnética. O parâmetro de amortecimento de Gilbert encontrado foi de α = 0.002. Obtivemos termos de intensidade de espalhamento de 2-mágnons ao longo do eixo fácil (EF) e eixo duro (ED) igual γΓ 𝐸𝐹 = 0.5278 × 106 𝐻𝑧, γΓ 𝐸𝐷 = 0.792 × 107 𝐻𝑧, respectivamente. Também foram observadas contribuições de espalhamento de 2-mágnons em eixos intermediários (EI) de magnetização com intensidade γΓ 𝐸𝐼 = 0.879 × 107 𝐻𝑧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1. Resultados da variação angular para o campo de ressonância ferromagnética 𝐻𝑅 e largura de linha ferromagnética Δ𝐻 no plano de um filme de Py (122 Å)/Si(001) (sem buffer layer) para variações do ângulo de inclinação β entre 0º e 50º. Para β entre 0º e 40º não se verifica valores significativos de anisotropia e observam-se mecanismos intrínsecos de relaxação magnética (Gilbert). Para β = 50º (f), uma anisotropia uniaxial é induzida e o mecanismo de relaxação de dois mágnons torna-se visível na largura de linha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74. 4.2. Variação angular para o campo de ressonância ferromagnética 𝐻𝑅 e largura de linha ferromagnética Δ𝐻 no plano de um filme Permalloy (122 Å)/Si(001) correspondentes aos ângulos de inclinação iguais a: (a) β = 60º , (b) β = 70º. Foram encontrados valores de anisotropia uniaxial de 120 Oe e 330 Oe para β = 60º e β = 70º, respectivamente. Neste último observa-se uma contribuição da relaxação devido às flutuações no eixo de anisotropia uniaxial, superposto aos mecanismos de relaxação de Gilbert e dois mágnons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(18) xvi Lista de Figuras 4.3. (Campo de anisotropia uniaxial 𝐻𝑈 em função do ângulo de inclinação β, para filmes de Py(122Å)/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.4. 76. Gráfico da magnetização efetiva (a) e do campo de anisotropia de superfície (b) em função de β. Note que para β = 70º o campo de anisotropia de superfície fica positivo indicando que existe componente da magnetização fora do plano da amostra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.5. 77. Gráfico do comportamento do fator de damping de Gilbert (α) em função de β para filmes Permalloy (122Å)/Si(001) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. 4.6. Campo de ressonância médio e a largura de linha média para filmes de Permalloy (122 Å)/Si(001) em função do ângulo de inclinação β . . . . . . . . . . . . . 78. 4.7. Resultados da variação angular para 𝐻𝑅 e Δ𝐻 no plano de um filme Py(122 Å)/Cu (62 Å)/Si(001) para variações do ângulo de inclinação β entre 0º e 30º. Nestes são observados para o campo de ressonância valores significativos de HU e para largura de linha verificam-se apenas mecanismos intrínsecos de relaxação magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.8. 79. Variação angular 𝐻𝑅 e Δ𝐻 no plano de um filme de um filme Py(122 Å)/Cu (62 Å)/Si(001) para variações do ângulo de inclinação β entre 40º e 70º. Em (c) β = 60º e (d) β = 70º verifica-se, respectivamente, anisotropia uniaxial de 200 Oe e 285 Oe. Também se observa além dos mecanismos de relaxação de Gilbert e dois mágnons, uma relaxação no eixo de anisotropia uniaxial para duas últimas inclinações. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80. 4.9. Campo de anisotropia uniaxial 𝐻𝑈 em função do ângulo de inclinação β, para filmes de Py(122Å)/Cu(62Å)/Si(001). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82. 4.10 Gráfico da magnetização efetiva (a) e do campo de anisotropia de superfície (b) em função de β. Observe que para β = 60º e 70º o campo de anisotropia de superfície fica positivo indicando que existe componente da magnetização fora do plano da amostra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 82. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(19) xvii Lista de Figuras 4.11 Em (a), observa-se o gráfico do comportamento do fator de damping de Gilbert (α) e do termo de intensidade do espalhamento de 2-mágnons (γΓ) em função de β para filmes de Permalloy (122Å)/ Cu(62Å)/ Si(001). Em (b), temos o comportamento desses fatores (α e γΓ) em função do campo de anisotropia uniaxial (HU). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 83. 4.12 Campo de ressonância ferromagnética médio e a largura de linha média para filmes de Permalloy Py(122Å)/Cu(62 Å)/Si(001) em função do ângulo de inclinação β. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 4.13 Curvas da variação angular do campo de ressonância e largura de linha de FMR: em (a) temos um filme de Py (90Å)/Cu (55Å)/Si(001) depositado com inclinação β = 60º e em (b) temos um filme de Py(72Å)/Cu (30Å)/Si(001) depositado com inclinação β = 70º. O estudo da dependência dos mecanismos de relaxação e da anisotropia uniaxial merecem um estudo sistemático. . . . . . . .. 85. 4.14 Curvas de histerese (eixo fácil e eixo duro de magnetização) obtidas por MOKE para valores da inclinação β iguais a 0º, 40º e 60º. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 86. 4.15 Ilustração das redes cristalinas de Fe e de MgO (001) em (a) e (b), respectivamente. Orientações relativas dos eixos cristalinos do Fe com relação aos eixos do substrato em (c). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 4.16 Variação angular de 𝐻𝑅 e Δ𝐻 de FMR para diversas espessuras de Fe depositadas sobre MgO (100). Como pode ser observada, para camadas muito finas de Fe (4.2 nm e 6.3 nm), a anisotropia cúbica diminui de maneira significativa. A linha contínua é o ajuste numérico, cujos resultados estão na tabela 4.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 4.17 Campo de ressonância médio e largura de linha média em função das diversas espessuras de Fe depositadas sobre MgO (100). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(20) xviii Lista de Figuras 4.18 Comportamento do campo de anisotropia cúbico 𝐻𝐶 , em (a), juntamente com o comportamento da magnetização efetiva 4𝜋𝑀𝑒𝑓𝑓 e campo de anisotropia de superfície 𝐻𝑆 , em (b), versus a espessura do Fe. (c) Comportamento do fator de intensidade do espalhamento de 2-mágnons (γΓ) e do fator de damping de Gilbert (α) em função da espessura do Fe. (d) Comportamento dos termos de flutuações nos eixos de anisotropia (ΔΦH, ΔΦU), também em função da espessura do Fe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 4.19 (a) Variação angular de 𝐻𝑅 e Δ𝐻 de FMR para um filme de Fe sobre substrato de MgO (001) onde foi aplicado um campo magnético de 100 Oe na direção do eixo fácil de magnetização durante a deposição. (b) Orientações relativas dos eixos cristalinos do filme de Fe. O filme de Fe é crescido com uma epitaxia girada de 45o em relação aos eixos do substrato de MgO (001). . . . . . . . . . . . . . .. 93. Comportamento da 𝐻𝑅 e Δ𝐻 em função do ângulo no plano de um filme de Fe 4.20 (80 Å) depositado por sputtering oblíquo para β = 50º. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.21 Campo de ressonância e largura de linha para filmes Fe depositados sobre substrato de MgO que apresenta imperfeições na superfície substrato (filme identificados pelo índice 1 símbolos sólidos) e para substrato sem imperfeições (filme identificados pelo índice 2 símbolos vazios) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.22 Campo de ressonância e largura de linha para um filme Fe depositado sobre um substrato de MgO que apresenta imperfeições na superfície substrato. . . . . . . . .. 95. 4.23 Campo de ressonância e largura de linha para filme Fe depositado sobre substrato de MgO que apresenta imperfeições na superfície substrato. Neste caso um campo H de 100 Oe foi aplicado na direção do eixo fácil de magnetização do ferro (paralelo ao eixo [010] do filme de Fe mostrado na figura) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.24 Campo de ressonância e largura de linha para filme Fe depositado sobre substrato de MgO que apresenta imperfeições na superfície substrato Neste caso um campo H de 100 Oe foi aplicado na direção do eixo duro de magnetização do ferro (paralelo ao eixo [110] do filme de Fe mostrado na figura) . . . . . . . . . . . 96. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(21) xix Lista de Figuras 4.25 Campo de ressonância e largura de linha das bicamadas Si(001)/Cu(6 nm)/Py(12,2 nm)/IrMn(t)/Cu(2 nm), com (a) t = 10 nm e (b) t = 15 nm, com ângulo de inclinação =50o. Em (c), observa-se a curva de campo de ressonância com respectivo ajuste para uma bicamada Si(001)/Cu(6 nm)/Py(12,2 nm)/IrMn(10 nm)/Cu(2 nm), com =0o.. Nas bicamadas. apresentadas aplicamos campo ao longo do plano de deposição durante o seu crescimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.26 Campo. de. ressonância. de. bicamadas. compostas. 98. de. Si(001)/Cu(6nm)/Py(2,8nm)/IrMn(10 nm)/Py(11,2nm)/Cu(2 nm). Nas amostras (a) e (b) foi aplicado um campo de 100 Oe perpendicular ao plano de deposição, já na amostra (c) não houve aplicação de campo durante a deposição. As curvas sólidas são ajustes obtidos como discutido no texto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 99. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(22) Lista de Tabelas. 2.1. Energia mínima de um átomo de Ar para ejetar um átomo da superfície do alvo para alguns materiais de interesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.2. 8. Sputtering yields para alguns materiais, sob bombardeio com íons de Ar de 0.5 keV e 1 keV [2,6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. 2.3. Estrutura, medidas de campos de anisotropia (Ha) e larguras de linha de FMR (ΔH) para filmes de Co e Ni80Fe20 com buffer-layer de Ta depositados obliquamente com β=60º e para filmes de Co em válvulas de spin [18] . . . . . . . .. 4.1. 17. Resultados obtidos para filmes Permalloy (122Å)/Si(001) variando o ângulo de inclinação do substrato β. Os termos EF, EI e ED referem-se, respectivamente, ao eixo fácil, um eixo intermediário e ao eixo duro da magnetização.. . . . . . . . . . 78. 4.2. Resultados obtidos para filmes Py(122 Å)/Cu (62 Å)/Si(001) variando o ângulo de inclinação do substrato β. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.3. 81. Resultados dos ajustes obtidos para filmes Fe depositados sobre substrato de MgO variando a espessura do filme, verificados na figura 4.16. . . . . . . . . . . . . . . 92. 4.4. Resultados dos ajustes obtidos da figura 4.21 para filmes Fe depositados sobre substrato de MgO que apresenta imperfeições na superfície substrato (filme 1) e para substrato sem imperfeições (filme 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Joaquim Bonfim Santos Mendes. 94. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(23) Capítulo 1 Introdução A área de fenômenos magnéticos de superfícies e de interfaces é uma das mais ativas em Física da Matéria Condensada não apenas pela enorme quantidade de fenômenos básicos existentes como também pelas suas inúmeras aplicações tecnológicas. A capacidade de se fabricar filmes finos com diferentes composições e utilizando diferentes substratos possibilitou o surgimento de fenômenos magnéticos inexistentes em materiais volumétricos. [1, 2] Desde o final da década de 1980, esta área vem sendo vista com crescente interesse em suas atividades. Este crescimento se deve principalmente a 3 aspectos: (i) o progresso e popularização das técnicas de fabricação envolvendo técnicas de alto vácuo, deposição e litografia; (ii) o progresso em técnicas de caracterização; que incorporaram técnicas sofisticadas de raios-X (XMCD, XMLCD), elétrons (SEMPA, SPLEEM, etc), (Brillouin, pump probe, etc), microscopia de varredura (STM, MFM, etc), etc; (iii) o crescimento considerável na capacidade de computação científica utilizando teoria micromagnética. O interesse nesta área também levou à descoberta de fenômenos novos que ocorrem devido à fabricação de heteroestruturas onde camadas de diferentes materiais são fabricadas como se fosse um sanduíche. A possibilidade de se fabricar estas multicamadas com espessuras de dimensões atômicas levou à descoberta de fenômenos inimagináveis: acoplamento indireto entre camadas[3], magnetoresistência gigante[4], tunelamento magnético[5], anisotropia de exchange[6], transferência de torque[7], etc. Dentro desta área de pesquisa nós desenvolvemos uma série de experimentos que resultaram neste trabalho de mestrado. Nesta dissertação investigamos propriedades magnéticas estáticas e dinâmicas em diversos filmes e multicamadas onde foram induzidas fortes anisotropias uniaxiais durante o processo de preparação das amostras. As estruturas de interesse foram fabricadas utilizando-se a técnica de sputtering DC e as propriedades magnéticas foram investigadas utilizando-se as técnicas de ressonância ferromagnética (FMR) na banda X de microondas e magnetometria óptica por efeito Kerr (MOKE). Todas. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(24) 2 Capítulo 1 - Introdução as medidas foram realizadas à temperatura ambiente. Os resultados foram analisados por modelos fenomenológicos que consideram os termos relevantes da energia livre magnética para interpretar as anisotropias e os mecanismos de relaxação que se manifestam nos sistemas estudados. Investigamos filmes monocristalinos cúbicos de ferro crescidos sobre substratos de MgO(001) onde diferentes níveis de epitaxia foram obtidos. A epitaxia dos filmes de Fe(001)/MgO(001), utilizando a técnica de sputtering, é sempre uma tarefa desafiadora, pois vários detalhes devem ser observados. Detalhes estes que vão desde a qualidade e condições de preparação do substrato (como corte e limpeza) até as condições de deposição (temperatura, pressão de base e limpeza da câmara de vácuo). A qualidade da epitaxia dos filmes de ferro é claramente identificada pelas propriedades de ressonância ferromagnética que são: simetria da dependência angular do campo de ressonância (HR) e da largura de linha de absorção (H). A partir da interpretação teórica das curvas de HR e H versus ângulo () no plano do filme, extraímos vários parâmetros que nos dão informações sobre a qualidade magnética e estrutural das nossas amostras. No caso de filmes de Fe(001), os principais parâmetros investigados a partir das curvas de HR vs.  são: anisotropia magnetocristalina cúbica e uniaxial, magnetização e anisotropia de superfície. A partir das medidas de H vs.  investigamos diferentes mecanismos de relaxação tais como Gilbert, espalhamento por dois magnons e mecanismos devido a mosaicidades (flutuações microestruturais) introduzidas durante o crescimento dos filmes. Nestes mesmos filmes de Fe(001) investigamos os efeitos de indução de anisotropia uniaxial durante o processo de preparação dos filmes. Para isto utilizamos duas técnicas diferentes: aplicação de um campo magnético externo ao longo de direções preferenciais do cristal e crescimento do filme com o plano inclinado de um ângulo  em relação ao fluxo de átomos incidentes no substrato. Os efeitos da anisotropia uniaxial induzida são claramente identificados tanto nas medidas de campo de ressonância como de largura de linha. Investigamos filmes policristalinos de Ni81Fe19 (Permalloy) depositados sobre substratos de silício. Neste caso investigamos as propriedades magnéticas dos filmes de Ni81Fe19/Cu/Si(001) em função do ângulo de inclinação do substrato em relação ao fluxo de átomos incidentes. Como a taxa de deposição dos materiais varia com o ângulo  tivemos que calibrar esta taxa de deposição para cada valor de ângulo utilizado. Para isto utilizamos Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(25) 3 Capítulo 1 - Introdução imagens obtidas por microscopia de força atômica para medir a altura de degraus feitos nos filmes no momento da deposição e desta maneira determinar as taxas de deposição para cada ângulo . Os filmes de Permalloy (Py) crescidos sem inclinação (apresentam anisotropia uniaxial desprezível e a dependência angular de H é explicada pelo mecanismo de relaxação de Gilbert. Os filmes crescidos para ângulos  variando de 10o a 70o apresentam várias propriedades interessantes. Conseguimos obter valores de anisotropia uniaxial, no plano de filme de Py, da ordem de 300 Oe para  = 70o. Este valor é surpreendente, pois sabemos que o Py é considerado um material magnético extremamente mole. A dependência da magnetização efetiva com o ângulo  mostra claramente a indução de uma componente da anisotropia uniaxial fora do plano. A dependência angular da largura de linha dos filmes de Py também foi investigada e os vários mecanismos de relaxação foram claramente identificados. Para pequenos valores de ângulos  o mecanismo de Gilbert é que prevalece enquanto para valores intermediários o mecanismo o mecanismo de dois magnons é que se torna importante. Para altos valores de  (> 60o) os mecanismos de dois magnons e flutuações nos eixos de anisotropias (mosaicidade) aparecem superpostos. O efeito de se crescer os filmes de Py sobre buffer layers de cobre ou diretamente sobre o substrato de Si é claramente visto nas medidas de ressonância ferromagnética. A anisotropia uniaxial induzida fica muito melhor definida quando utilizamos buffer layers em vez de crescer os filmes diretamente sobre os substratos. Medidas de magnetometria MOKE mostraram que as anisotropias obtidas pelas curvas de magnetização são compatíveis com os valores obtidos por FMR. Também investigamos propriedades magnéticas de bicamadas formadas por um filme ferromagnético (FM) de Permalloy e por um filme antiferromagnético (AF) de IrMn quando crescidas sob a condição de inclinação do ângulo  Estes sistemas apresentam um forte acoplamento na interface FM/AF chamado de exchange bias medida pelo campo HEB. Nestes sistemas a dependência angular do campo de ressonância tem uma dependência típica de uma anisotropia unidirecional (em forma de sino). Mostramos que o campo de exchange bias aumenta consideravelmente para bicamadas FM/AF crescidas com  = 50o. A dependência angular do campo de ressonância e da largura de linha foi interpretada com um modelo que leva em consideração os termos mais relevantes para a energia livre magnética. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(26) 4 Capítulo 1 - Introdução. Referências [1] U. Gradmann, Magnetism in ultrathin transition metal films, in: K.H.J. Buschow (Ed.), Handbook of Magnetic Materials, vol. 7, Elsevier Science Publishers B.V., North-Holland, pp. 1–96 (Chapter 1), (1993). [2] H.C. Siegmann, Surface and 2D magnetism, J. Phys.: Condens. Matter. 4 (1992) 8395. [3] P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers. Phys. Rev. Lett. 57 (19): 2442–2445 (1986). [4] M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. Nguyen Van Dau, F. Petroff, et al., Phys. Rev. Lett., 61, 2472 - 2475 (1988). [5] M. Julliere, Phys. Lett. 54A: 225–226 (1975). [6] Nogués, J.,Ivan K. Schuller, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 192 (2): 203–232 (1999). [7] D. C. Ralph, M. D. Stiles, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320(7), 11901216 (2008).. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(27) Capítulo 2 Técnicas experimentais 2.1 Introdução Neste capítulo serão apresentadas as principais técnicas experimentais utilizadas nesta dissertação. Na seção 2.2 serão abordados os aspectos básicos da técnica de evaporação catódica (sputtering), utilizada para a deposição dos filmes investigados durante este trabalho. Da seção 2.3 à seção 2.6, descreveremos as técnicas utilizadas para a caracterização de nossas amostras. Na seção 2.3, apresentar-se-ão os princípios gerais da ressonância ferromagnética (Ferromagnetic Resonance - FMR). É importante salientar que todos os filmes utilizados nessa dissertação foram caracterizados por essa técnica e, portanto, foi a principal técnica de caracterização utilizada. Na seção 2.4, serão abordados os aspectos básicos do efeito Kerr magneto-óptico (Magneto-Optical Kerr Effect - MOKE). Por fim, na seção 2.5, abordaremos a microscopia de força atômica (Atomic Force Microscope - AFM), utilizada na calibração das taxas de deposição dos materiais utilizados na nossa investigação.. 2.2 Deposição por evaporação catódica (sputtering) Dentre as técnicas de deposição física por vapor (physical vapor deposition – PVD) utilizadas na fabricação de filmes finos, a de evaporação catódica ou sputtering tornou-se uma das mais utilizadas no meio científico e industrial. Embora seja uma técnica dominada nas últimas décadas, a primeira observação do fenômeno de sputtering foi realizada por Groove em 1952 [1]. Ele observou a deposição de um metal localizado no catodo de uma descarga luminosa. Este fenômeno foi atribuído a ejeção (sputtering) de átomos do catodo provocada pelo choque de íons acelerados pela descarga contra a superfície. Resumidamente, o sputtering é um método de deposição a vácuo, onde íons são acelerados contra a superfície de um material alvo conectado ao terminal negativo de uma. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(28) 6 Capítulo 2 - Técnicas experimentais fonte DC ou RF (catodo), arrancando átomos por transferência de momento. Os átomos retirados do alvo são depositados em uma superfície ou substrato (anodo). Sistematicamente, podemos explicar esse processo nas seguintes etapas: Etapa de evacuação primária. A câmara de deposição é evacuada para pressões muito baixas (entre 1x10-7 e 3x10-7 torr), com a intenção de remover resíduos indesejáveis da atmosfera e das paredes e da câmara. Essa pressão é conhecida como pressão de base, que é a pressão obtida antes da introdução do gás de trabalho. Na prática, para conseguirmos níveis satisfatórios de pressão, para o nosso modelo de sputtering (High Vacuum Laboratory System PLS 500), temos que esquentar e resfriar a câmara algumas vezes, com intuito de retirar o máximo de vapor de água das paredes da câmara. Etapa de injeção de gás de trabalho. Injeta-se argônio (Ar) de alta pureza (99.999%) na câmara, que está sendo continuamente evacuada com o auxílio de uma bomba turbo e uma bomba mecânica. Tipicamente a pressão de trabalho é da ordem de 3 mtorr. Por ter um grande potencial de ionização e custo relativamente baixo, o argônio é o gás nobre mais utilizado para este fim. Etapa de criação do plasma. Um plasma é um gás parcialmente ionizado composto de íons, elétrons e átomos neutros que é em média eletricamente neutro. Em um plasma, a densidade total de partículas deve ser alta suficiente para garantir um número mínimo de interações eletrostáticas, e as densidades de elétrons e íons devem ser pequenas em relação à densidade total. Nesta etapa, íons de Ar+ são criados em decorrência da aplicação de uma tensão DC (ou RF) que também tem a intenção de acelerá-los de encontro ao alvo. O plasma se mantém condensado nas proximidades do alvo com o auxílio de um campo magnético gerado por um conjunto de magnetos permanentes (magnetron). Para entender como um plasma é formado considere o sistema simplificado da figura 2.1. Quando uma voltagem é aplicada entre os eletrodos, inicialmente começam a fluir pequenas correntes devido ao pequeno número de partículas carregadas (íons e elétrons). Neste estágio, na medida em que a voltagem aumenta, é transferida às partículas carregadas uma energia suficiente para produzir mais portadores de carga. Isto ocorre através das colisões dos íons com o catodo, que libera elétrons secundários, e pela ionização dos átomos neutros no gás de Ar. O processo de ionização é descrito por,. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(29) 7 Capítulo 2 - Técnicas experimentais e- + Ar  Ar+ + 2e- .. Além da ionização, a colisão de um elétron com um átomo neutro de argônio (ou mesmo com um íon) pode levar o átomo (ou íon) a um estado eletronicamente excitado (Ar*), e- + Ar  Ar* + e- .. Este novo estado, em geral, decai rapidamente emitindo um fóton. Isso dá origem à característica mais marcante de um plasma que é a sua descarga luminosa. Há ainda vários outros processos de colisão ocorrendo no ambiente de sputtering [2]. Observe que o processo descrito acima é essencialmente cinético, não envolve reações químicas ou transições de fases no material a ser depositado. Os átomos são transportados na fase gasosa e em princípio qualquer material pode ser depositado por essa técnica, seja metálico, dielétrico ou semicondutor. Neste processo, a energia cinética dos íons é transferida aos átomos da superfície do alvo que serão ejetados se a energia dos íons for maior que a energia de ligação destes átomos superficiais. Os átomos com maior energia cinética atingem o substrato, onde são depositados, ou podem gerar novas reações no percurso alvo-substrato. Uma vez depositados, a energia cinética destes é redistribuída na superfície do substrato em forma de energia potencial, criando ligações entre eles e formando assim as primeiras camadas do filme. Isto ocorre quando a energia cinética dos íons é relativamente baixa, mas suficiente para ejetar os átomos confinados nas primeiras 5-10 monocamadas do alvo. Quando as energias cinéticas envolvidas são muito maiores que a energia de ligação dos átomos do alvo, estes átomos ejetados podem ter energias suficientemente altas a ponto de serem deslocados para outros sítios provocando recristalização da rede, vacâncias, defeitos no alvo e até danificar o substrato [9]. A energia de ligação está relacionada à energia mínima que um íon deve possuir para ejetar um átomo do material do alvo. Na tabela 2.1 são apresentados valores de energia mínima que um átomo de Ar deve possuir para arrancar um átomo da superfície de alguns materiais utilizados nesta dissertação [3].. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(30) 8 Capítulo 2 - Técnicas experimentais Material. Emin (eV). Fe. 20. Ni. 21. Co. 25. Cu. 17. Ta. 26. SiO2. 16. Tabela 2.1 Energia mínima de um átomo de Ar para ejetar um átomo da superfície do alvo para alguns materiais de interesse.. Etapa de pré-sputtering. Os alvos utilizados neste trabalho apresentam alto grau de pureza (acima de 99.9%), no entanto, o fato dos mesmos estarem expostos às condições ambientais pode gerar impurezas, tais como oxidações na sua superfície. Para eliminar essas oxidações utilizamos um procedimento de limpeza in situ, que em muitos casos garante uma descontaminação adequada do alvo. Este procedimento é conhecido como présputtering (ou sputter etching) que consiste em submeter o alvo que se deseja utilizar a um processo de sputtering de modo que as primeiras camadas atômicas são arrancadas da superfície do alvo sem que esses átomos se depositem no substrato. Para garantir que não haverá deposição, existe um prato obturador (shutter) entre o magnetron e o prato onde estão localizados os substratos. É importante salientar que os substratos utilizados (Si, MgO e vidro) passam por um processo sistemático de limpeza antes de serem fixados no prato de amostras. Basicamente o processo consiste em mergulhar os substratos em álcool etílico puro agitando com ultrasom por uns 10 minutos. Em seguida são retirados e secados com jato de nitrogênio. Novamente são mergulhados em acetona pura e agitados com ultra-som por mais 10 minutos. Por fim, são secados com o jato de nitrogênio e fixados imediatamente no prato. Etapa de deposição. Após o pré-sputtering, o shutter é desobstruído permitindo a deposição dos átomos do alvo no substrato. O sistema de sputtering utilizado nesta. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(31) 9 Capítulo 2 - Técnicas experimentais dissertação permite depositar até quatro materiais distintos em até nove substratos diferentes de cada vez. A figura 2.1 ilustra um sistema típico de deposição por sputtering. O maior detalhamento destas etapas e parâmetros mais importantes da deposição por sputtering são vistos a seguir.. Ânodo Substrato. Íons de Argônio (Ar+) acelerados. Átomos ejetados do alvo. Campo elétrico. Campo magnético. Alvo. Magneto Magnetron (Catodo) Câmara de Vácuo Figura 2.1 Sistema típico de deposição por sputtering.. 2.2.1 Eficiência do sputtering. Além da energia iônica mínima, verificada anteriormente, é necessário determinar a eficiência do sputtering (sputtering yield - S), definida como o número de átomos ejetados do alvo por íon de Ar incidente. Dentre as teorias que descrevem o sputtering yield uma das mais aceitas foi proposta por Sigmund [4]. Ele formula um modelo, baseado em resultados experimentais, em que associa o sputtering a cascatas de colisões atômicas que podem se. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(32) 10 Capítulo 2 - Técnicas experimentais estender ao interior do alvo. Essa teoria permite calcular valores de S conhecendo apenas dados cristalográficos e parâmetros de cada material, sem parâmetros de ajuste. No estudo do sputtering yield, devemos considerar as características de colisão (elástica ou inelástica), seção transversal de espalhamento, aspecto estrutural do material alvo (cristalino ou randômico), geometria da deposição (ângulo de incidência, distância alvo-susbstrato), natureza e força das ligações na superfície do alvo, entre outros [5]. Podemos escrever a eficiência do processo, S, da seguinte forma [4,6]:. 𝑆=. 3𝛼 𝑀1 𝑀2 2 𝜋 𝑀1 + 𝑀2. 𝑆 = 3.56 𝛼. 2. 𝐸1 𝐸𝑏. 𝑍1 𝑍2. 𝑀1 𝑀2 𝑆𝑛 (𝐸1 ) 𝑍12 3 + 𝑍22 3 𝑀1 + 𝑀2 𝐸𝑏. 𝐸1 < 1𝑘𝑒𝑉. (2.1). 𝐸1 > 1𝑘𝑒𝑉. (2.2). onde M1 e M2 são as massas atômicas da partícula incidente e do material que constitui o alvo, respectivamente, E1 é a energia da partícula incidente, E b é a energia de ligação do átomo na superfície; Z1 e Z2 são os números atômicos das partículas 1 e 2,.  uma função. monotônica de M1/M2 (  = 0,17 para M1/M2 =0.1) e 𝑆𝑛 (𝐸1 ) a perda de energia por unidade de comprimento durante a colisão (stopping power).. S(átomo/íon). S(átomo/íon). Ar (Energia 0.5 KeV). Ar (Energia 1 KeV). Fe. 1.10. 1.3. Ni. 1.45. 2.2. Co. 1.22. -. Cu. 2.35. 2.85. Ta. 0.57. -. Material. Tabela 2.2 Sputtering yields para alguns materiais, sob bombardeio com íons de Ar de 0.5 keV e 1 keV [2,6].. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(33) 11 Capítulo 2 - Técnicas experimentais A eficiência de sputtering é apenas uma medida relativa da taxa de erosão do alvo, portanto proporcional à taxa de deposição do filme no substrato. Na tabela 2.2 verifica-se a eficiência de sputtering em materiais de interesse para valores de energia de 0.5 keV e 1 keV do gás de Ar [2,7,8].. 2.2.2 Processos de sputtering. Os processos de sputtering têm sido classificados em quatro categorias básicas, segundo a forma como o plasma é produzido: DC, RF, magnetron e reativo. No sputtering DC (Direct-current sputtering), o plasma é formado e sustentado a partir de uma descarga DC por uma fonte de potência de alta voltagem. O sputtering DC é utilizado em alvos metálicos, pois alvos isolantes irão acumular cargas, limitando o processo de sputtering. Nesta categoria, uma diferença de potencial (ddp) ioniza o gás de Ar fazendo surgir uma corrente de íons positivos na vizinhança do catodo e de elétrons na vizinhança do anodo. Os eletrodos são dispostos de maneira similar as placas de um capacitor plano, sendo o alvo o catodo, para onde os íons positivos de Ar serão acelerados, e o suporte dos substratos o anodo (ver Figura 2.1). O campo elétrico produzido será simplesmente V/d, onde V é a ddp contínua e d a distância entre os eletrodos. Os elétrons são então acelerados por este campo, obtendo energia suficiente para ionizar os átomos de Ar. Para isso ocorrer é necessário uma densidade de gás ideal, ou seja, a densidade não pode ser muito baixa, a ponto de os elétrons atravessarem a câmara sem colidirem com os átomos de Ar e nem muito alta, de modo que as colisões ocorram antes de os elétrons adquirirem energia necessária de ionização. Como se sabe, o processo de ionização de um átomo de Ar dá origem a um novo elétron. Este elétron adicional será também acelerado em direção ao anodo, podendo participar de novos processos de ionização. Os íons de Ar são acelerados e podem se chocar em alta energia com a superfície do alvo, causando a emissão dos elétrons secundários. Estes elétrons são os principais responsáveis pela sustentação da descarga. A sustentação é obtida quando houver um equilíbrio entre a taxa de produção de íons de Ar e o fluxo de elétrons e íons que saem do plasma em direção aos eletrodos e as paredes da câmara. A pressão típica de trabalho é na faixa de 30-120 mtorr. A voltagem necessária para manter a. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(34) 12 Capítulo 2 - Técnicas experimentais descarga luminosa com uma densidade de corrente entre 0.1-0.2 mA/cm2 é tipicamente 5005000 V [6]. Em geral a taxa de deposição é proporcional à potência DC e ao inverso da distância entre alvo e o substrato [2]. No sputtering RF (Radio-frequency sputtering), a descarga luminosa é produzida mediante um sinal AC entre os eletrodos. A tensão AC opera em freqüências de 13.56, 27.12, ou 40.68 MHz (especificados pela Federal Communications Comission – FCC). Nesse regime somente elétrons podem acompanhar as flutuações temporais do campo AC, atingindo valores de energia suficiente para provocar a ionização através das colisões reduzindo com isto a necessidade de criar elétrons secundários para auto-sustentar a descarga. Em princípio, como se trata de uma tensão alternada, o processo de sputtering poderia ocorrer em quaisquer dos eletrodos. No entanto, para que esse processo somente ocorra no alvo, este deve ser um material isolante e deve está acoplado ao gerador de RF. A pressão de trabalho para o sputtering RF é baixa, tipicamente entre 5-20 mtorr [6].. Ânodo. Conector de potência Catodo Sistema de refrigeração. (a). (b). Figura 2.2 Visão transversal de um magnetron (a) e imagem de um magnetron cilíndrico (b).. Existe ainda o magnetron sputtering, que é um processo de deposição mais eficiente e muito bem controlado. O princípio do magnetron é conhecido desde primeiras décadas do século passado [11], a estrutura é basicamente formada por um catodo (em nosso caso cilíndrico) que é circundado por um ânodo. Sob o catodo existem ímãs permanentes com funcionalidade de produzir um campo magnético para confinar o plasma próximo à Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(35) 13 Capítulo 2 - Técnicas experimentais superfície do alvo como pode ser visualizado na figura 2.2. Os elétrons produzidos no catodo (alvo) são acelerados contra o ânodo em um movimento helicoidal em volta das linhas do campo magnético devido à força de Lorentz. Isto faz com que o tempo em que o elétron fica no plasma aumente e, portanto a probabilidade de colisões será maior. As taxas de deposição no processo de magnetron sputtering podem ser altas podendo chegar, como por exemplo, para o Al, a 106 Å/s. Além disso, com baixas pressões (~3 mtorr) e com voltagens baixas (<500 V), é possível manter o plasma, conseguindo com isto taxas de deposição tão baixas como 0.4 Å/s [9]. Por fim, no sputtering reativo, filmes finos de compostos ou ligas são depositados a partir de alvos metálicos na presença da atmosfera do gás inerte (Ar) misturado com algum gás reativo (O2, N2, C2H2). Com a presença destes gases, há modificações nas reações no plasma, na cinética de crescimento, na morfologia e natureza do filme resultante. Filmes crescidos numa atmosfera reativa controlada apresentam propriedades peculiares difíceis de serem reproduzidas mediante outras técnicas de evaporação. Existem técnicas de deposição por sputtering específicas e que são baseadas em combinações destes quatro tipos básicos de evaporação, e são conhecidos como métodos híbridos [10]. Neste trabalho usamos basicamente o magnetron sputtering DC e magnetron sputtering RF. Maiores informações sobre os processos que envolvem a deposição por sputtering, podem ser obtidas na referência 12.. 2.2.3 Deposição por sputtering oblíquo. A anisotropia é um parâmetro muito importante para o controle da magnetização em dispositivos e materiais magnéticos. Uma série de técnicas tem sido utilizadas para a criação de anisotropias efetivas em dispositivos à base de magnetoresistência gigante, incluindo o uso de materiais antiferromagnéticos ou magnéticos duros como polarizadores de troca. Ambos os métodos têm propriedades que os tornam inconvenientes para a aplicação incluindo, problema com o potencial de corrosão, insuficiente estabilidade térmica, entre outras [18]. A anisotropia é também um fator importante na determinação do limite superior da susceptibilidade magnética em filmes finos, como poderá ser visto mais adiante.. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.

(36) 14 Capítulo 2 - Técnicas experimentais A deposição oblíqua de materiais magnéticos é uma das diversas maneiras de introduzir mudanças micro-estruturais em filmes e conseqüentemente induzir propriedades magnéticas de interesse (como anisotropias magneto-cristalina). A deposição por sputtering oblíqua é uma das diversas variações que podem ser realizadas no crescimento de filmes utilizando técnica de sputtering. O que a diferencia, é o fato dos substratos não serem mais fixados paralelamente ao plano do prato de amostras, ou seja, a normal ao plano do substrato (n) não é mais perpendicular ao plano do ânodo. No trabalho realizado aqui, a deposição foi feita variando-se o ângulo inclinação do substrato (β) entre zero e oitenta graus com variações mínimas de 10 graus. Para tanto foram confeccionados suportes feitos de materiais não magnéticos (Al) onde são fixados os substratos (como pode ser visto na figura 2.3).. Figura 2.3 Geometria da deposição por sputtering obliqua (a) e ilustração do suporte utilizado para fixar os substratos (b).. A deposição oblíqua de materiais magnéticos com a intenção de produzir anisotropia magnética uniaxial em filmes magnéticos, vem sendo realizada há muitos anos. Em 1959 Smith[13] verificou que o ângulo entre o substrato e a incidência da deposição por evaporação térmica seria um dos principais efeitos que contribuem para o surgimento de uma anisotropia uniaxial em filmes de permalloy sobre vidro. Neste mesmo ano Knorr e. Joaquim Bonfim Santos Mendes. Dissertação de Mestrado - DF - UFPE.