Sistemi di nanomagneti Sistemi di nanomagneti permetterebbero di superare la densità di informazione considerata attualmente un limite fisico per i mezzi.

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1 Sistemi di nanomagneti Sistemi di nanomagneti permetterebbero di superare la densità di informazione considerata attualmente un limite fisico per i mezzi di registrazione “tradizionali” Se ogni magnetino è un BIT … Stato “1” Stato “0” Nanomagneti di ferro … e faccio magnetini sufficientemente piccoli posso superare il limite attuale

2 Sistemi di nanomagneti Matrici di nanoparticelle

3 Matrici di nanoparticelle per registrazione magnetica 11101110 10100110 11111111 10101010

4 Spintronics Spintronics: To Control a Spin of Electrons, not a Charge Magnetic Nanostructures for Spintronics Magnetic Multilayers Magnetic Wires Magnetic Quantum Dots Applications of Magnetic Nanostructures Reading Heads, Magnetic Field Sensors, MRAM Field Effect Transistor, Spin-Valve Transistor Quantum Computer

5 Principi della Microscopia a scansione di sonda Ampiezza oscillazione La sonda e` una punta fissata ad una levetta elastica (cantilever) posta in oscillazione ad una data frequenza f (oscillatore armonico forzato). L’interazione della punta con la superficie modifica l’ampiezza della vibrazione della levetta. Mediante riflessione di un fascio laser dalla levetta registro le variazioni di ampiezza e frequenza dell’oscillazione. Un computer converte tali variazioni in un’immagine della superficie su scala atomica. f Frequenza repulsione Oscillatore libero Interazione di Van der Waals Sempre attrattiva. Fortemente dipendente dalla distanza (a corto raggio d’azione: 1/r 6 ). attrazione -AFM In Contatto: la punta scivola sulla superficie. Il computer misura lo spostamento del laser e lo traduce in un’immagine topografica. -AFM Non-Contatto: il cantilever oscilla a fissata frequenza e a distanza fissa dalla superificie. Se si avvicina sente una forza attrattiva che diminuisce la frequenza. Un feed-back piezo controlla la frequenza aumentando o diminuendo la distanza mentre il computer elabora l’immagine. AFM Tapping: Come in non-contatto ma con ampiezza di oscillazione molto maggiore. Arriva a “toccare” la superficie”.

6 Quali forze producono la deflessione del cantilever? Forze di corto raggio Sovrapposizione delle nubi elettroniche (possono essere sia attrattive che repulsive) e repulsione dei nuclei Forze di Van der Waals Sono forze dipolo-dipolo. Le più rilevanti non sono associate a dipoli permanenti, ma alla dispersione (fluttuazioni di carica); sono sempre presenti e agiscono anche su gas nobili (chimicamente inerti) Forze elettrostatiche Dovute a cariche localizzate su punte o campioni isolanti Forze magnetiche Dovute all’interazione fra i dipoli magnetici contenuti nei materiali ferromagnetici di cui sono costituiti la punta e il campione Forze capillari Dovute a pochi monolayers di acqua condensata sulla superficie

7 Caratterizzazione morfologica e magnetica Oscillazioni Movimento Cantilever Atomic Force Microscopy Interazione di Van der Waals AFM profile 0 15 30 45 60 Dot height, nm Dot diameter, nm Interazione dipolare magnetica Oscillation Movimento Cantilever Magnetic Force Microscopy N S

8 Punte per microscopia Nel caso di AFM le dimensioni tipiche del sistema sono: - PUNTA: lunghezza di un paio di micron e, almeno nella parte terminale, diametro dell’ordine di 10 nm - CANTILEVER: lunghezza dell’ordine di 200 micron Immagine SEM di un cantilever triangolare di nitruro di silicio con punta integrata. L’altezza della punta è di 2  m. Immagine SEM di un cantilever rettangolare di silicio con punta integrata. L’altezza della punta è di 12.5  m

9 Immagini SEM di punte di silicio modificate. (a) punta ultra-sottile (b) nanotubo di carbonio cresciuto tramite deposizione chimica da fase vapore su una punta di silicio Come funziona? Le forze presenti fra la punta e la superficie del campione fanno piegare il cantilever. Un rivelatore misura le deflessioni del cantilever mentre la punta si muove al di sopra del campione (o il campione si muove al di sotto della punta). La misura delle deflessioni del cantilever permette a un PC di generare una mappa topografica della superficie. La microscopia AFM può essere usata per studiare sia materiali isolanti che conduttori.

10 Microscopia a forza magnetica (MFM) La microscopia a forza magnetica misura le variazioni spaziali delle forze magnetiche sulla superficie di un materiale, utilizzando una punta ricoperta con uno strato sottile (decine di nanometri) di materiale ferromagnetico. Il sistema opera in NC, misurando le variazioni di ampiezza di risonanza indotte dall’interazione magnetica.

11 Magnetic Force Microscopy

12 215 Oe 650 Oe 115 Oe36 Oe -44 Oe-152 Oe- 256 Oe- 650 Oe In field MFM: nucleation and propagation of vortexes

13 vortex state