Materiali Magnetici e Multiferroici
Referente: Albertini Franca
Film sottili
   PER MAGGIORI INFORMAZIONI: Francesca Casoli (francesca.casoli@imem.cnr.it)

 

Film sottili e nanostrutture di leghe di Heusler

I composti di Heusler rappresentano una vasta classe di composti ternari, con formula chimica X2YZ (full Heusler) o XYZ (half Heusler), dove X e Y sono tipicamente metalli di transizione e Z un elemento del gruppo principale. Mostrano un'impressionante varietà di proprietà fisiche: superconduttività, termoelettricità, caratteristiche di isolante topologico, transizioni del primo ordine o metamagnetiche, elevata anisotropia magnetica, polarizzazione di spin. Cresciamo film sottili epitassiali di composti magnetici di Heusler tramite un apparato di sputtering. I film epitassiali rappresentano un sistema modello per l'indagine delle proprietà fondamentali dei materiali massivi, dal momento che l'ordine strutturale influenza fortemente le proprietà dei composti di Heusler, ma sono anche di per sé estremamente interessanti per l'integrazione in numerosi micro- e nano-dispositivi. La nostra attività si concentra principalmente su due composti, come mostrano i seguenti highlights: Ni-Mn-Ga a memoria di forma magnetica e Mn-Ga tetragonale ad alta anisotropia.

 

Highlights

  • Film di Ni-Mn-Ga a memoria di forma magnetica 

Il composto stechiometrico Ni2MnGa è un composto full Heusler e un sistema modello per la classe dei materiali a memoria di forma magnetica, materiali nei quali è possibile indurre enormi deformazioni elastiche tramite una variazione di temperatura o l'applicazione di un campo magnetico. All'origine dell'effetto c'è una transizione magnetostrutturale da una fase L21 (austenite) ad alta simmetria e stabile ad alte temperature, ad una fase con simmetria inferiore (martensite), stabile a temperature più basse. La fase martensitica mostra diverse strutture cristalline a seconda delle variazioni di composizione intorno alla stechiometria 2-1-1. Cresciamo epitassialmente i film sottili ad alta temperatura nella fase austenitica, su MgO (100) o Cr / MgO (100). In seguito alla trasformazione nella fase martensitica, i film mostrano un complesso pattern di varianti di twin. Abbiamo ingegnerizzato la microstruttura dei film, ottenendo un'ampia varietà di pattern martensitici attraverso la variazione delle condizioni di crescita, l'applicazione di uno stress durante o dopo la crescita e trattamenti termici; abbiamo anche approfondito la relazione tra i dettagli della microstruttura a varianti di twin e le proprietà magnetiche e magneto-termiche dei film (https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.049 e 10.1002/adma.201502072).

 

Surface of a Ni-Mn-Ga thin filmEvoluzione della microstruttura a twin in un film di Ni-Mn-Ga di 200 nm con l'applicazione di diversi stimoli esterni: temperatura, stress meccanico e campo magnetico; la microstruttura è evidente nelle immagini di microscopia elettronica a scansione; la microstruttura magnetica, ottenuta mediante microscopia a forza magnetica, rispecchia l'orientamento degli assi di facile magnetizzazione in diversi tipi di microstrutture a varianti di twin (tipo X o tipo Y)

Riprodotto da "Martensite-enabled magnetic flexibility: The effects of post-growth treatments in magnetic-shape-memory Heusler thin films" - M. Takhsha Ghahfarokhi et al.– Acta Mater. 187, 135-145 (2020) – Copyright (2020), con l'autorizzazione di Elsevier

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.049

 

  • Nanodischi di Ni-Mn-Ga a memoria di forma magnetica

A partire da un film epitassiale di Ni-Mn-Ga di spessore 75 nm, abbiamo realizzato nanodischi free-standing a memoria di forma magnetica con dimensioni di 650 nm e dimostrato che la temperatura e il campo magnetico possono essere sfruttati per modificare la microstruttura ed indurre nei nanodischi una deformazione bidimensionale. I nanodischi sono stati realizzati mediante litografia a nanosfere su un'area dell'ordine del cm2 e successiva rimozione selettiva del substrato sacrificale. La microstruttura martensitica a varianti di twin è caratterizzata da due diversi tipi di varianti, tipo X e tipo Y; la loro frazione areale relativa e la distribuzione spaziale sono influenzate dal confinamento laterale e dal rilascio dal substrato. Abbiamo studiato in dettaglio questa microstruttura a twin mediante diverse tecniche di microscopia elettronica, compresa l'olografia elettronica, analizzando come la microstruttura influenzi la deformazione che è possibile indurre con campo magnetico e temperatura. E' stato possibile ottenere una deformazione areale reversibile fino al 5,5% e modularla in intensità e segno (contrazione o dilatazione bidimensionale).

Lorentz nanodisks

a) Immagine TEM bright field di un gruppo di tre nanodischi martensitici di Ni-Mn-Ga; b) immagine di microscopia Lorentz che mostra la configurazione magnetica dei dischi free-standing; c) immagine di microscopia Lorentz ottenuta dopo un ciclo termico con H = 0, si ha una riorganizzazione dei domini magnetici per minimizzare la dispersione del campo magnetico

Riferimento: https://doi.org/10.1002/smll.201803027

 

  • Mn-Ga tetragonale ad elevata anisotropia  

Il MnxGa1-x (0,66 <x <0,75) è un composto full Heusler che mostra, nella fase tetragonale D022 (metastabile), una combinazione unica di proprietà utili per memorie e dispositivi spintronici. Il materiale presenta infatti bassi valori di magnetizzazione di saturazione e Gilbert damping, e valori elevati di anisotropia magnetica uniassiale, temperatura magnetica di Curie e polarizzazione di spin. Questa fase è interessante anche per lo sviluppo di magneti permanenti con prodotto massimo di energia a metà strada tra Nd2Fe14B e Ba(Sr)Fe12O19. Abbiamo cresciuto film sottili epitassiali di MnxGa1-x (x = 0.70, 0.75) nella fase D022, con diversi spessori e su substrati di SrTiO3 (STO) e (LaAlO3)0.3(Sr2TaAlO6)0.7 (LSAT). La crescita su LSAT, a causa del maggiore misfit reticolare rispetto a STO, dà origine a una distorsione del reticolo tetragonale che a sua volta è responsabile di un aumento di magnetizzazione e di anisotropia magnetocristallina  (https://doi.org/10.1063/1.5004594). A partire dagli stessi film, abbiamo realizzato nanostrutture di 600 nm con litografia a nanosfere (http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.029).

Mn-Ga nanostructuring process

 

 

Morfologia e proprietà magnetiche di un film epitassiale di Mn70Ga30 di spessore 40 nm e di nanodots di 600 nm ottenuti dallo stesso film; le immagini sono state ottenute mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a forza magnetica (MFM), i cicli d'isteresi mediante magnetometria SQUID con campo applicato perpendicolarmente al piano del film; sia il film che i nanodots mostrano anisotropia magnetica perpendicolare e coercitività attorno a 1T

Riferimento: Highlight on Advances in Engineering 2017

 

 

 

Principali pubblicazioni

  1. “Martensite-enabled magnetic flexibility: The effects of post-growth treatments in magnetic-shape-memory Heusler thin films” – M. Takhsha Ghahfarokhi, F. Casoli, S. Fabbrici, L. Nasi, F. Celegato, R. Cabassi, G. Trevisi, G. Bertoni, D. Calestani, P. Tiberto, F. Albertini – Acta Materialia 187, 135 -145 (2020) – https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.01.049
  2. “Magnetic Shape Memory Turns to Nano: Microstructure Controlled Actuation of Free-Standing Nanodisks” – M. Campanini, L. Nasi, S. Fabbrici, F. Casoli, F. Celegato, G. Barrera, V. Chiesi, E. Bedogni, C. Magén, V. Grillo, G. Bertoni, L. Righi, P. Tiberto, F. Albertini – SMALL 14,  1803027 (2018) - https://doi.org/10.1002/smll.201803027
  3. “Achieving Giant Magnetically Induced Reorientation of Martensitic Variants in Magnetic Shape-Memory Ni-Mn-Ga Films by Microstructure Engineering” – P. Ranzieri, M. Campanini, S. Fabbrici, L. Nasi, F. Casoli, R. Cabassi, E. Buffagni, V. Grillo, C. Magen, F. Celegato, G. Barrera, P. Tiberto, F. Albertini – Advanced Materials 27, 4760 (2015), DOI: 10.1002/adma.201502072
  4. “MnxGa1-x Nanodots with High Coercivity and Perpendicular Magnetic Anisotropy” – J. Karel, F. Casoli, P. Lupo, F. Celegato, R. Sahoo, B. Ernst, P. Tiberto, F. Albertini, C. Felser – Applied Surface Science 387, 1169–1173 (2016) – http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.07.029 & Highlight on Advances in Engineering 2017
  5. “Enhanced magnetization and anisotropy in Mn-Ga thin films grown on LSAT” – J. Karel, F. Casoli, L. Nasi, P. Lupo, R. Sahoo, B. Ernst, A. Markou, A. Kalache, R. Cabassi, F. Albertini, C. Felser  – Appl. Phys. Lett. 111(18), 182405 (2017) – https://doi.org/10.1063/1.5004594

 


 

Film, multistrati e nanostrutture "ad hoc" 

Cresciamo film sottili, multistrati e nanostrutture di metalli magnetici 3d e leghe magnetiche intermetalliche, ottimizzando le caratteristiche di crescita per ottenere le proprietà magnetiche desiderate o studiare uno specifico problema fisico. La crescita avviene mediante un apparato di sputtering. In diversi casi abbiamo ottenuto il controllo delle proprietà magnetiche e funzionali attraverso uno studio approfondito delle caratteristiche strutturali, microstrutturali e morfologiche. Presentiamo in forma di highlights due esempi significativi, su materiali magneticamente duri (hard) e materiali magneticamente dolci (soft). I multistrati magnetici rappresentano un ulteriore esempio: abbiamo realizzato e studiato multistrati con un metallo nobile come spaziatore non magnetico, per memorie ad anisotropia magnetica perpendicolare e sensori magneto-plasmonici, oltre ad eterostrutture con proprietà rilevanti per la spintronica.

 

Highlights

  • Nanocompositi exchange-coupled soft/hard 

L'interazione su scala nanometrica tra un materiale magnetico soft e uno hard può essere sfruttata per ottimizzare le proprietà magnetiche di un sistema composito soft/hard, concetto che divenne famoso a partire dal 1991 con la proposta di migliorare il prodotto massimo d' energia dei magneti permanenti, aggiungendo una fase magnetica soft nanostrutturata e con elevata magnetizzazione di saturazione ad un magnete hard con anisotropia magnetocristallina elevata. A partire dal 2005, i sistemi nanocompositi soft/hard sono stati ampiamente studiati per i mezzi di registrazione magnetica allo scopo di migliorare la scrivibilità, riducendo la coercività della fase hard grazie all'accoppiamento di scambio con la fase soft. Il concetto ha recentemente ricevuto un rinnovato interesse per i dispositivi spintronici basati su spin-valve o giunzioni tunnel, in cui lo strato soft può avere un angolo di magnetizzazione inclinato grazie all'accoppiamento con lo strato hard. Abbiamo proposto e realizzato diversi nanocompositi accoppiati da interazione di scambio: eterostrutture epitassiali in cui una fase magneticamente soft viene cresciuta sopra una fase magneticamente hard con elevata anisotropia perpendicolare (FePt-L10): Fe / FePt; Fe3Pt / FePt; FePt ad anisotropia graded ottenuto tramite irraggiamento ionico.

Fe3Pt/Fe microscopy image

Struttura e morfologia di un nanocomposito epitassiale, ottenute mediante diverse tecniche di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) (pannello centrale e destro); la fase soft Fe3Pt cresce pseudomorfa sopra la fase hard FePt-L1; la perfetta coerenza strutturale consente di ottenere la forte riduzione di coercitività mostrata nel grafico a sinistra

Riferimento: "Exchange-Coupled Composite Media", F. Casoli et al. – in Ultra-High-Density Magnetic Recording: Storage Materials and Media Designs, pp 279-326, Pan Stanford Publishing, 2016. Editors: G. Varvaro, F. Casoli.  

 

  • Film sottili magneticamente dolci per sensori magnetici 

Negli ultimi anni il crescente interesse riguardo ai sensori di corrente contactless per energy metering e alla funzione compass per dispositivi portatili ha favorito lo sviluppo di sensori magnetici integrati. Nella maggior parte dei sensori commerciali basati su circuiti integrati viene inserito un concentratore di flusso magnetico a posteriori, mediante incollaggio e polishing meccanico, oppure tramite elettrodeposizione. Grazie alla collaborazione con un'azienda di microelettronica, abbiamo invece raggiunto l'importante obiettivo di integrare direttamente un film sottile, che funge da concentratore magnetico, in un sensore magnetico di tipo Hall. E' stato infatti integrato in una tecnologia BCD, utilizzando apparecchiature CMOS standard da 8", uno strato magneticamente soft con proprietà magnetiche e meccaniche ottimizzate, riducendo così i costi di produzione dei sensori e migliorando il controllo del processo di produzione rispetto alle tecnologie concorrenti che richiedono fasi di post-processing.

Magnetic sensor imageFotografia del sensore Hall con dettaglio dello strato magnetico ottenuto mediante microscopia elettronica su sezione trasversale  (pannello di destra); le proprietà dello strato magnetico sono state ottimizzate per avere alta induzione magnetica, alta permeabilità, bassa coercitività e basso campo di saturazione, come mostrato nella curva di isteresi nel pannello di sinistra

Riferimento:  https://doi.org/10.1051/epjconf/20134016002

 

Principali pubblicazioni

  1. “Stripe domains reorientation in ferromagnetic films with perpendicular magnetic anisotropy” – L.-C. Garnier, M. Marangolo, S. Fin, F. Casoli, M. G. Pini, M. Eddrie, A. Rettori, D. Bisero, S. Tacchi – J. Phys.: Mater. 3, 024001 (2020) – https://doi.org/10.1088/2515-7639/ab6ea5
  2. “Exchange-Coupled Composite Media” – F. Casoli, L. Nasi, F. Albertini, P. Lupo – in Ultra-High-Density Magnetic Recording: Storage Materials and Media Designs, pp 279-326, Pan Stanford Publishing, 2016. Editors: G. Varvaro, F. Casoli.
  3. “Hall current sensor IC with integrated Co-based alloy thin film magnetic concentrator” – V. Palumbo, M. Marchesi, V. Chiesi, D. Paci, P. Iuliano, F. Toia, F. Casoli, P. Ranzieri, F. Albertini, M. Morelli – EPJ Web of Conferences 2013 vol. 40, 16002 – https://doi.org/10.1051/epjconf/20134016002
  4. “Strong coercivity reduction in perpendicular FePt/Fe bilayers due to hard/soft coupling” – F. Casoli, F. Albertini, L. Nasi, S. Fabbrici, R. Cabassi, F. Bolzoni, C. Bocchi – Appl. Phys. Lett. 92, 142506 (2008) – https://doi.org/10.1063/1.2905294