BR102016018859A2

BR102016018859A2 - Filmes e multicamadas com exchange bias como elementos sensores para dispositivos baseados no efeito magnetoimpedância

Info

Publication number: BR102016018859A2
Application number: BR102016018859-8A
Authority: BR
Inventors: Edimilson Felix Da Silva; Felipe Bohn; Marcio Assolin Correa; Ricardo Barreto Da Silva; Roberta Dutra De Oliveira Pinto; Rubem Luis Sommer
Original assignee: Universidade Federal Do Rio Grande Do Norte
Priority date: 2016-08-16
Filing date: 2016-08-16
Publication date: 2018-03-06
Also published as: BR102016018859B1

Abstract

a presente patente de invenção visa a empregar um sistema nanoestruturado do tipo filme fino e multicamada com exchange bias, que apresenta efeito magnetoimpedância assimétrica (ami), como elemento sensor em dispositivos tecnológicos, baseados no efeito magnetoimpedância (mi), que necessitem de resposta linear em baixos valores de campo magnético. o sistema nanoestruturado proposto consiste em filmes finos e multicamadas na forma [material ferromagnético/material antiferromagnético]. neste caso, a região linear das curvas de mi pode ser ajustada em torno do campo magnético zero através da variação da espessura dos materiais ferromagnético e antiferromagnético, da frequência da corrente de sonda, da orientação entre o campo magnético externo e a direção do campo de exchange bias. deste modo, consideráveis valores de variação na magnitude da impedância em campos baixos, associados à sensibilidade de mi, podem ser obtidos, o que coloca os filmes e multicamadas ferromagnéticos com exchange bias como candidatos promissores a elementos sensores para dispositivos tecnológicos baseados no efeito mi.

Description

(54) Título: FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA (51) Int. Cl.: G01R 33/09; H01L 43/08 (73) Titular(es): UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE, UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA, CENTRO BRASILEIRO DE PESQUISAS FÍSICAS (72) Inventor(es): EDIMILSON FELIX DA SILVA; FELIPE ΒΟΗΝ; MÁRCIO ASSOLIN CORRÊA; RICARDO BARRETO DA SILVA; ROBERTA DUTRA DE OLIVEIRA PINTO; RUBEM LUIS SOMMER (57) Resumo: A presente patente de invenção visa a empregar um sistema nanoestruturado do tipo filme fino e multicamada com exchange bias, que apresenta efeito magnetoimpedância assimétrica (AMI), como elemento sensor em dispositivos tecnológicos, baseados no efeito magnetoimpedância (Ml), que necessitem de resposta linear em baixos valores de campo magnético. O sistema nanoestruturado proposto consiste em filmes finos e multicamadas na forma [Material ferromagnético/Material antiferromagnético]. Neste caso, a região linear das curvas de Ml pode ser ajustada em torno do campo magnético zero através da variação da espessura dos materiais ferromagnético e antiferromagnético, da frequência da corrente de sonda, da orientação entre o campo magnético externo e a direção do campo de exchange bias. Deste modo, consideráveis valores de variação na magnitude da impedância em campos baixos, associados à sensibilidade de Ml, podem ser obtidos, o que coloca os filmes e multicamadas ferromagnéticos com exchange bias como candidatos promissores a elementos sensores para dispositivos tecnológicos baseados no efeito Ml.

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Relatório descritivo da Patente de Invenção para “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA” [001] A presente patente de invenção tem por finalidade produzir um sistema nanoestruturado do tipo filme fino e multicamada com exchange bias, que apresente efeito magnetoimpedância assimétrica (AMI) para uso como elemento sensor em dispositivos tecnológicos baseados no efeito magnetoimpedância (MI), que necessitem de resposta linear em baixos valores de campo magnético.

[002] Atualmente, a dinâmica da magnetização em materiais nanoestruturados é um tema que desafia a comunidade científica no contexto da física básica. Esta é uma questão fundamental para as tecnologias atuais e emergentes, bem como para o desenvolvimento de dispositivos como MRAMs (T. GERRITS et al., Nature 418 (2002) 509), nano-osciladores (C. BOONE et al., Phys. Rev. B 79 (2009) 140404) e cabeças de leitura magnética (P. DELOOZE et al., J. Magn. Magn. Mater. 272-276 (2004) 2266).

[003] Neste sentido, o efeito MI surge como uma das mais versáteis ferramentas para investigar e caracterizar materiais ferromagnéticos e nanoestruturas que compõem dispositivos tecnológicos, revelando propriedades magnéticas quase estáticas e propriedades dinâmicas em diferentes faixas de frequência e valores de campo magnético, em estados saturados e não saturados magneticamente (A. M. H. DE ANDRADE et al., J. Appl. Phys. 115 (2014) 103908).

[004] O efeito MI corresponde à mudança na impedância elétrica (Z=R+iX) de um condutor magnético submetido a um campo magnético estático externo. Em um típico experimento de MI, além do campo magnético externo, a amostra também está submetida a um campo magnético alternado associado à corrente elétrica de prova I_ac = I_o exp(i2nft), sendo f a frequência da corrente. O efeito global destes campos atuando sobre a amostra é a indução de intensas modificações na permeabilidade magnética transversal que, por sua vez,

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2/8 acabam por modificar a impedância da amostra (A. M. H. DE ANDRADE et al., J. Appl. Phys. 115 (2014) 103908).

[005] Nos últimos anos, o interesse sobre o efeito MI tem crescido consideravelmente, não somente devido à sua contribuição para o entendimento da física associada à dinâmica da magnetização em sistemas com dimensões reduzidas (A. YELON et al., Appl. Phys. Lett. 69 (1996) 3084), mas também devido à possibilidade de aplicação de materiais magnéticos como elemento sensor para dispositivos de detecção de baixos campos (H. CHIRIAC et al., J. Magn. Magn. Mater.293 (2005) 671). Neste sentido, experimentos vêm sendo realizados em diversos sistemas magnéticos, incluindo amostras na forma de fitas amorfas (K. R. PIROTA et al., Phys. Rev. B 60 (1999)6685 e F. AMALOU et al., J. Appl. Phys. 95 (2004) 1364), fios (R. S. BEACH et al., Appl. Phys. Lett. 64 (1994) 3652 e J. VELÁSQUEZ et al., Phys. Rev. B 50 (1994) 16737 e D. P. MAKHNOVSKIY et al., Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 121 e G. V. KURLYANDSKAYA et al., J. Appl. Phys. 87 (2000) 4822) e filmes ferromagnéticos (A. D. C. VIEGAS et al., J. Appl. Phys. 101 (2007) 033908 e R. B. DA SILVA et al., Appl. Phys. Lett. 94 (2009) 042501 e M. A. CORRÊA et al., J. Phys. D Appl. Phys. 43 (2010) 295004 e M. S. MARQUES et al., Thin Solid Films 520 (2012) 2173 e G. V. KURLYANDSKAYA et al., J. Magn. Magn. Mater. 242-245 (2002) 291 e G. V. KURLYANDSKAYA et al., J. Phys. Cond. Mat. 16 (2004) 6561 e M. A. CORRÊA et al., J. Phys. D Appl. Phys. 41 (2008) 175003), uma vez que estas nanoestruturas são adequadas para aplicações em dispositivos integrados.

[006] Na MI, as maiores variações são, normalmente, verificadas em materiais magnéticos macios com anisotropias magnéticas bem definidas e baixa resistência elétrica (L. KRAUS, J. Magn. Magn. Mater. 195 (1999) 764). Entretanto, embora os materiais magnéticos macios sejam altamente sensíveis a pequenas variações de baixos campos magnéticos, ao mesmo tempo, eles apresentam, essencialmente, um comportamento de MI não linear em campos magnéticos próximos de zero, dificultando uma derivação simples e direta de

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3/8 um sinal apropriado para aplicações em dispositivos sensores (J. TORREJÓN et al., J. Appl. Phys. 105 (2009) 033911).

[007] Do ponto de vista prático, a sensibilidade e a linearidade da MI são os principais parâmetros a serem controlados (C. G. KIM et al., Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2114). Deste modo, com o intuito de superar as dificuldades previamente citadas e aprimorar as características lineares da resposta da MI, uma das alternativas utilizadas para a modificação da região de atuação do sensor e o ajuste do comportamento linear da MI para campos em torno de zero, corresponde à aplicação de um campo de polarização ou de uma corrente elétrica no elemento MI ordinário (J. TORREJÓN et al., J. Appl. Phys. 105 (2009) 033911 e P. MANH-HUONG et al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 2871). No entanto, esta abordagem mostra-se pouco eficaz tecnicamente, principalmente devido ao consumo energético, tornando difícil a miniaturização dos dispositivos sensores.

[008] Diversos trabalhos têm demonstrado que materiais magnéticos, exibindo o efeito AMI, surgem como alternativa promissora para aplicações em sensores de campo magnético linear autoinduzido. Nestes materiais, os efeitos assimétricos na MI são obtidos através da indução de uma configuração magnética estática assimétrica, geralmente induzida por meio de interações magnetostáticas (G. V. KURLYANDSKAYA et al., J. Appl. Phys. 87 (2000) 4822 e J. TORREJÓN et al., J. Appl. Phys. 105 (2009) 033911 e C. G. KIM et al., Appl. Phys. Lett. 75 (1999) 2114 e J. P. SINNERCKER et al., J. Magn. Magn. Mater. 295 (2005) 121 e C. G. KIM et al., Appl. Phys. Lett. 77 (2000) 1730) ou pela modificação da orientação entre o campo magnético externo e a anisotropia magnética da amostra (H. KIKUCHI et al., J. Appl. Phys.115 (2014) 17A303).

[009] Na presente patente de invenção, com o intuito de obter o efeito AMI e o ajuste da região linear das curvas de MI em torno de campo magnético zero em filmes ferromagnéticos adequados para uso como elemento sensor em dispositivos tecnológicos baseados no efeito MI, que necessitam de resposta linear em baixos valores de campo magnético, considera-se um sistema

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4/8 nanoestruturado do tipo filme fino e multicamada com exchange bias. O sistema nanoestruturado proposto consiste em filmes finos e multicamadas na forma [Material ferromagnético/Material antiferromagnético].

[010] O sistema proposto pode ser preparado, por exemplo, a partir do empilhamento de uma camada ferromagnética de Ni₈₁Fe₁₉ (NiFe) e uma camada antiferromagnética de Ir₂₀Mn₈₀ (IrMn). Podem-se produzir, em princípio, dois sub-conjuntos de amostras: o primeiro consiste de um filme fino na forma de bicamada NiFe/IrMn. Sabe-se que multicamadas podem alcançar variações de impedância maiores quando comparadas com as observadas em filmes finos, de modo que o segundo conjunto consiste em multicamadas com estrutura [NiFe(40 nm)/IrMn(20 nm)/Ta(1 nm)]x20, com as espessuras dos materiais ferromagnético e antiferromagnético mantidas constantes. Filmes com as supracitadas estruturas podem ser produzidos em substratos de vidro, com dimensões 10 mm x 4 mm, por sputtering, técnica que propicia amostras de qualidade e garante a reprodutibilidade das mesmas. Além disso, um campo magnético pode ser aplicado perpendicularmente ao eixo principal do substrato durante a deposição, a fim de induzir anisotropia magnética e definir um eixo de fácil magnetização.

[011] A Figura 1 mostra as curvas de magnetização normalizadas para as multicamadas de [NiFe(40 nm)/IrMn(20 nm)/Ta(1 nm)]x20, medidas com o campo magnético aplicado em diferentes direções φ, ângulo entre as direções do campo magnético aplicado na medida e do campo magnético aplicado durante a deposição. As características do exchange bias podem ser claramente notadas através do deslocamento das curvas. O valor máximo do deslocamento de bias (H_eb) foi observado para φ =0°, indicando que as anisotropias uniaxial e unidirecional foram induzidas ao longo da direção do campo magnético aplicado durante o processo de deposição. O campo de exchange bias decresce gradualmente de H_eb=33,5 Oe, em φ =0°, para H_eb~0 Oe, em φ = 90°, quando o campo magnético externo está perpendicular ao eixo fácil uniaxial e à direção de exchange bias. Como o ângulo φ é aumentado,

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5/8 observa-se uma evolução na forma da curva de magnetização, de um laço em forma quadrada para uma curva em forma inclinada e estreita.

[012] A Figura 2 mostra a evolução das curvas de MI, para frequências selecionadas, para as multicamadas de [NiFe(40 nm)/IrMn(20 nm)/Ta(1 nm)]x20 medidas em diferentes ângulos φ. As medidas de MI são adquiridas para 201 valores de frequência entre 0,1 GHz e 3,0 GHz, entretanto, aqui são exibidas apenas 5 curvas para facilitar a visualização do comportamento da MI como um todo. Além disso, as curvas de MI são adquiridas em um ciclo completo de magnetização e apresentam comportamento histerético. Uma característica interessante relacionada ao comportamento da MI reside na dependência da posição dos picos com a orientação do campo magnético aplicado e da corrente alternada em relação às anisotropias magnéticas, com a magnitude do campo magnético externo aplicado e frequência da corrente de sonda f. Para φ =0°, um pico simples, localizado em H=H_eb±H_c, onde H_c é o campo coercivo, pode ser observado em frequências a partir de 0,15 GHz e ele ocorre devido a mudanças na permeabilidade magnética transversal. O pico simples torna-se mais pronunciado com o aumento da frequência. Em torno de 1,0 GHz, este se divide em uma estrutura de pico duplo, simétrica em H=H_eb. Por outro lado, para a medida em φ = 90°, um comportamento de pico duplo, simétrico em torno de H=0, está presente para toda a faixa de frequência, como uma assinatura do alinhamento paralelo do campo magnético externo e a corrente alternada ao longo do eixo duro de magnetização. Para os outros ângulos, uma estrutura de duplo pico simétrico em torno do respectivo H=H_eb(q>) começa a aparecer a partir de 0,6 GHz. Em todos os casos, independentemente do ângulo φ, o deslocamento da posição dos picos na estrutura de pico duplo para campos mais elevados, à medida que a frequência é aumentada, segue o comportamento previsto para o efeito ressonância ferromagnética (FMR).

[013] A característica mais atrativa dos resultados, do ponto de vista tecnológico, reside na assimetria das curvas de MI medidas para filmes finos e multicamadas com exchange bias. É importante notar que a resposta da MI

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6/8 pode ser aproximadamente linear e reversível para o intervalo de baixos campos, e a forma das curvas de Z depende da orientação do campo magnético aplicado e da corrente alternada em relação ao campo de exchange bias H_eb, assim como da intensidade do exchange bias, campo de anisotropia uniaxial e da frequência da corrente de sonda f. Consequentemente, a melhor resposta pode ser ajustada através de todos estes parâmetros.

[014] Para quantificar a sensibilidade em campos baixos e em função da frequência, foi calculada a variação na magnitude da impedância através da expressão

ΔΖ _ Z(H = 5 Oe) - Z(U = -5 Oe) ~ΔΗ ~ 10 ' onde, aqui, é considerado o valor absoluto de ΔΖ, uma vez que a impedância em torno do campo zero pode apresentar inclinações positivas e negativas, dependendo da amostra e da frequência de medida. Em particular, testes considerando diferentes valores de campo H foram realizados e verificou-se que ΐΔΖΙήΔΗ! é aproximadamente constante, pelo menos, para um razoável intervalo de baixos valores de campos.

[015] A Figura 3 mostra o espectro de variações de impedância, entre ±5 Oe, para a multicamada de [NiFe(40 nm)/IrMn(20 nm)/Ta(1 nm)]x20, para diferentes valores de φ, indicando a sensibilidade em torno do campo zero. Pode-se observar que os valores de sensibilidade se tornam significativos a partir de 0,6 GHz, alcançando maiores valores entre 1,5 GHz e 2,0 GHz, dependendo do ângulo φ. É possível verificar, à medida que o ângulo φ aumenta, uma redução sistemática da sensibilidade, bem como um deslocamento do máximo de sensibilidade para frequências menores. Em particular, a pequena sensibilidade observada para φ = 90° se deve à forma parabólica da curva de Z em torno de campo magnético zero, com um mínimo em H~0. A sensibilidade mais elevada é observada para φ =0°, atingindo ~160 mO/Oe, em 1,95 GHz. Nesta situação, a orientação do campo magnético externo aplicado e da corrente alternada ao longo da direção de Heb conduz à

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7/8 melhor condição para a sintonia da região linear das curvas de MI assimétricas em torno do campo de zero.

[016] A Figura 4 mostra uma visão detalhada das curvas de MI, em torno de H = 0, para os respectivos valores de frequência em que se observa a maior sensibilidade para cada ângulo φ, de modo a ilustrar o potencial das multicamadas com exchange bias para aplicações em sensores de campo linear autoinduzidos. Em baixos valores de campo magnético, entre ±5 Oe, pode ser claramente notado que o comportamento da impedância é quase linear e quase reversível, exceto para φ = 90°, em que o campo de exchange bias é próximo de zero. O comportamento histerético da MI está relacionado a mudanças irreversíveis nos processos de magnetização (J. P. SINNECKER et al., J. Appl. Phys. 84 (1988) 84, M. VÁZQUEZ et al., Matter. Sci. Forum. 302 (1999) 209 e V. M. Pridaet al., Appl. Phys. A 77 (1988) 135) e ao fato de que as curvas de MI são adquiridas ao longo de um ciclo de magnetização completo. Além disso, verifica-se que a sensibilidade máxima é alcançada quando a inclinação da região linear da curva de MI em campos próximos de zero é positiva. Esta característica é observada quando a contribuição da parte real é a principal responsável pela curva de impedância. Nas frequências mais altas, a contribuição da parte imaginária torna-se relevante, aumentando a sua contribuição para a impedância, alterando a estrutura de pico e dando origem a um novo pico de Z em torno de H = Heb.

[017] Neste caso, considerando filmes e multicamadas com exchange bias, a AMI e a região linear das curvas de MI podem ser ajustadas em torno do campo magnético zero através: da variação da espessura e da composição dos materiais ferromagnético e antiferromagnético; do número de repetição da estrutura base; da frequência da corrente de sonda; da orientação entre o campo magnético externo e a direção do campo de exchange bias. Deste modo, consideráveis valores de variação na magnitude da impedância em campos baixos, associados à sensibilidade de MI, podem ser obtidos, o que coloca os filmes e multicamadas ferromagnéticos com exchange bias como

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8/8 candidatos promissores a elementos sensores para dispositivos tecnológicos baseados no efeito MI.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA”, caracterizados por um sistema nanoestruturado do tipo filme fino e multicamada com exchange bias, que apresenta efeito magnetoimpedância assimétrico (AMI) e região linear das curvas de magnetoimpedância em torno do campo magnético zero, para uso como elemento sensor em dispositivos tecnológicos baseados no efeito magnetoimpedância (MI) que necessitam de resposta linear em baixos valores de campo magnético.
2. “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizados por sistemas nanoestruturados na forma de filme fino e multicamada com exchange bias, ou seja, com estrutura na forma [Material ferromagnético/Material antiferromagnético], no qual as camadas ferromagnética/antiferromagnética podem ter diferentes composições, distintas espessuras, bem como diferentes valores de repetição da estrutura base, que apresentam efeito AMI.
3. “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA”, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizados por sistemas nanoestruturados na forma de filme fino e multicamada com exchange bias, independentemente da estrutura da amostra, que apresentam efeito AMI.
4. “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA”, de acordo com a reivindicação 3, caracterizados por sistemas nanoestruturados na forma de filme fino e multicamada com exchange bias, que apresentam efeito AMI, com resposta de MI

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2/2 aproximadamente linear em torno do campo magnético zero e consideráveis valores de variação na magnitude da impedância em campos baixos quantificando a sensibilidade de MI.
5. “FILMES E MULTICAMADAS COM EXCHANGE BIAS COMO ELEMENTOS SENSORES PARA DISPOSITIVOS BASEADOS NO EFEITO MAGNETOIMPEDÂNCIA”, de acordo com a reivindicação 4, caracterizados por sistemas nanoestruturados na forma de filme fino e multicamada com exchange bias, que apresentam efeito AMI, região linear das curvas de MI ajustada em torno do campo magnético zero através da variação da espessura dos materiais ferromagnético e antiferromagnético, da frequência da corrente de sonda, da orientação entre o campo magnético externo e a direção do campo de exchange bias, bem como consideráveis valores de variação na magnitude da impedância em campos baixos, quantificando a sensibilidade de MI, para uso como elemento sensor em dispositivos tecnológicos, baseados no efeito MI, que necessitam de resposta linear em baixos valores de campo magnético.

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DESENHOS