MATERIALI NANOGRANULARI INFM-TO -POLITECNICO MATERIALI NANOGRANULARI Paolo Allia

Materiali nanogranulari Attività Unità di Ricerca "Torino Politecnico"   Attività Unità di Ricerca "Torino Politecnico" Organizzazione L’Unità di ricerca Torino Politecnico opera nei WP1 e WP3 nell’ambito della Tematica T1: Materiali Nanogranulari. L’Unità opera nei seguenti poli: Bologna, Ferrara, L’Aquila, Napoli, Torino, e risulta essere attualmente composta da: 19 ricercatori (Allia, Bisero, Bonetti, Boscherini, Bottoni, Buttino, Campari, Candolfo, Cecchetti, Del Bianco, D’Orazio, Donzelli, Iannotti, Lanotte, Lucari, Matteucci, Mazzetti, Poppi, Ronconi) 2 tecnici (Angeli, Costa) 2 borsisti (Celegato, Hison) Sono direttamente impegnati in attività di ricerca afferenti al Progetto: F. Spizzo (RC/polo di Ferrara); L. Signorini (DR/polo di Bologna) E’ stato bandito e regolarmente espletato nella scorsa primavera il concorso da ricercatore triennale finanziato integralmente dal MIUR ed assegnato all’Unità FIRB. E’ risultata vincitrice la Dott.ssa Lucia Del Bianco, che ha preso servizio presso l’Unità (polo di Bologna) nel settembre u.s.

L'attività dell'Unità di Ricerca durante il primo anno è stata principalmente concentrata sulle seguenti linee di azione, dettagliate nelle relazioni di ciascuna sede che seguono questa introduzione.   1) Proprietà magnetiche dei sistemi nanogranulari prodotti mediante condensazione in gas inerte (IGC). Tale attività è riferita alla sede di Bologna ed è attualmente svolta in collaborazione con l’Unità FIRB/Fiorani dell’ Istituto di Struttura della Materia (ISM) del CNR di Roma-Montelibretti. 2) Studio di materiali magnetici ad alta anisotropia per registrazione magnetica ad alta densità con particolare attenzione per il sistema Co(Cr)Pt prodotto mediante PLD. L'attività di ricerca, che viene effettuata integralmente presso l’istituto ISM, si avvale della collaborazione scientifica di Lucia Del Bianco presso la sede di Bologna.. 3a) Preparazione di nanoparticelle di Ni mediante reazioni chimiche e 3b) Produzione di materiali nanocompositi costituiti da particelle magnetiche uniformemente distribuite in matrice elastomerica 3b) Caratterizzazione magnetica dei materiali compositi di cui sopra e studio degli effetti sulle proprietà magnetiche collegati alla dimensione, preorientazione e forma delle particelle magnetiche 3c) Modellistica ed applicazioni in sensori ed attuatori delle proprietà elastomagnetiche dei suddetti compositi Queste attività [3a-5] sono riferite alla sede di Napoli. 4) Studio e modellizzazione delle curve di magnetoresistenza isotropa negativa in sistemi a range di correlazione magnetica nanometrica. Questa attività è riferita alla sede di Torino. 5a) Effetti della cinetica con cui vengono effettuati i trattamenti termici sulle proprietà magnetiche e magnetoresistive dei materiali granulari. 5b) Studio di film metallici granulari in prossimità della transizione tra comportamento superparamagnetico e comportamento ferromagnetico. 5c) Studio dell’effetto della dispersione dimensionale dei nanocristalli magnetici nei sistemi granulari sulla dipendenza del campo coercitivo dalla temperatura.

5d) Effetto delle interazioni magnetiche tra particelle sulle proprietà magnetiche e magnetoresistive. 5e) Dipendenza delle proprietà magnetiche e magnetoresistive dalla concentrazione delle specie magnetiche. 5f) Studio della struttura magnetica dei sistemi granulari mediante spettroscopia Mössbauer e diffrattometria neutronica a basso angolo con neutroni polarizzati e non. Queste attività [5a-5f] sono riferite alla sede di Ferrara.   6) Film e multistrati magnetici con comportamento di sistemi di nanoparticelle per applicazioni alla registrazione magnetica ad alta densità. Questa attività è riferita alla sede dell'Aquila. Apparecchiature sperimentali acquisite sui fondi specificamente assegnati: Magnetometro SQUID (DC SQUID MPMS-XL 5 Tesla ) della Quantum Design dotato di sonda per misure di magnetoresistenza, collocato presso il polo di Ferrara. Il relativo ordine d’acquisto è stato inviato in primavera ed è stato espletato. Lo SQUID è stato ricevuto dal polo di Ferrara e sta per raggiungere la condizione di operatività (il collaudo è programmato per il 27 ottobre 2003).

  Attività di ricerca Presso la sede di Torino dell'Unità denominata "Torino Politecnico" viene svolta nell'ambito della Tematica 1 (Materiali nanostrutturati) la seguente attività di ricerca: Studio e modellizzazione delle curve di magnetoresistenza isotropa negativa in sistemi a range di correlazione magnetica nanometrica. Si è sviluppata, in questo scorcio del I anno di progetto, una proficua attività di interpretazione dei fenomeni di magnetotrasporto dovuti all’esistenza di una lunghezza di coerenza magnetica su scala nanometrica, che risulta pertanto essere dello stesso ordine di grandezza del cammino libero medio degli elettroni. L’attenzione è stata e sarà rivolta ai sistemi denotati da una frustrazione magnetica sulla scala del nanometro: fra questi, i tipici sistemi nanoparticellari bimetallici in cui le nanoparticelle interagiscono tramite deboli interazioni a lungo raggio (prodotti in forma bulk e caratterizzati dall’Unità FIRB/IEN); o i sistemi core-shell prodotti in questa stessa Unità FIRB (polo di Bologna); o i film sottili prodotti in questa stessa Unità FIRB (polo di Ferrara). Oltre che su questi sistemi, l’attenzione è stata e sarà rivolta verso i ferromagneti frustrati che mostrano omogeneità composizionale e nanogranularità magnetica (a causa di interazioni magnetiche dui scambio in forte competizione). Questi sistemi possono rivelarsi interessanti per applicazioni alla sensoristica. Vengono riportati, a titolo d'esempio, alcuni risultati significativi. Nella prima Figura, viene stabilito un confronto fra lunghezze di correlazione in Au70Fe30 (nota dal PRA ELTMAG concluso nel 2002) e core-shell Fe-FeO (attività specifica del present progetto FIRB). Si evince chiaramente che la lunghezza di correlazione magnetica, nei sistemi core-shell, è essenzialmente determinata dalla dimensione delle nanoparticelle e non dipende sostanzialmente dalla temperatura.

  Nella Figura successiva è riportato l'andamento del campo di correlazione H* di un tipico sistema core-shell Fe-FeOin funzione della temperatura. Il campo H* è una misura del campo magnetico esterno necessario a distruggere la correlazione magnetica tra momenti magnetici adiacenti. Nei sistemui core-shell il campo H* è una debole funzione crescente di T. Il comportamento di H* con la temperatura può essere efficacemente confrontato con l'andamento della suscettività ad alto campo (intorno a 50 kOe) dello stesso sistema core-shell Fe-FeO. Anche questo parametro, che misura il grado di disordine di tipo spin-glass dei momenti magnetici presenti nelle shell di ossido, è una funzione debolmente crescente della temperatura, e risulta quindi significativamente correlato con il campo H*.

  Nelle Figure successive è illustratro l'andamento caratteristici delle curve di resistenza isotropa negativa in sistemi ferromagnetici frustrati con lunghezza nanometrica di correlazione di spin. Tale andamento è interessante dal punto di vista applicativo (sensori di campo magnetico). Nella prima Figura è mostrato il comportamento lineare della magnetoresistenza di prossimità in funzione del campo magnetico applicato nel ferromagnete frustrato Cu60Fe20Ni20 a temperatura ambiente: Nella seconda Figura è invece mostrato l'andamento lineare della magnetoresistenza di prossimità in funzione del campo magnetico applicato nel ferromagnete frustrato Au70Fe30 a temperatura ambiente, che ne mette in risalto le potenzialità quale elemento sensore di elevati campi magnetici.

  Prospettive a breve: si tenterà di pervenire ad una descrizione coerente ed unitaria del fenomeno della magnetoresistenza gigante o di prossimità in sistemi nanogranulari di ogni genere (in cui la conduzione elettrica è di tipo ohmico o avviene attraverso fenomeni di hopping). Tale descrizione si baserà sull’analisi sistematica di combinazioni di misure di magnetoresistenza e magnetizzazione.

I risultati ottenuti nelle varie filiere sono apparsi sui seguenti articoli (pubblicati o in corso di pubblicazione):   P.Allia, M. Coisson, P. Tiberto, F. Vinai Effects of quenching and annealing on the high-temperature magnetic properties of rapidly quenched Au80Fe20 alloy J. Magn. Magn. Mater., in corso di pubblicazione P. Allia, M. Coisson, J. Moya, P. Tiberto, F. Vinai Granular Metallic Systems as Interacting Superparamagnets: Anhysteretic Magnetization and Hysteresis Loops J.Magn.Magn.Mat. 254-255, 143-148 (2003) F.Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, F. Ronconi, P. Vavassori, P.Allia, V. Selvaggini, M.Coisson, P.Tiberto, F.Vinai GMR as a Function of Temperature in FeAg granular Samples: Effect of Magnetic Interactions J. Magn. Magn. Mat. 262, 88-91 (2003) L. Lanotte, G. Ausanio, C. Hison, V. Iannotti, C. Luponio, C. Luponio Jr. State Of The Art And Development Trends Of Novel Nanostructured Elastomagnetic Composites (relazione su invito) Proceedings of the 2nd International Workshop on Amorphous and Nanostructured Magnetic Materials, Iasi, September 15-17, 2003, in corso di pubblicazione F. Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, A. Da Re, F. Ronconi, P. Vavassori, I. Bergenti, A. Deriu, A. Hoell, H. J. Lauter: “SANS measurements with polarised neutrons on FeAg magnetic granular samples: compositional and magnetic morphology” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 124 F. Spizzo, F. Ronconi, F. Albertini, F. Casoli, L. Pareti, G. Turilli, A. Mazuelas, C. Ferrero, G. Ghiringhelli, A. Tagliaferri, H. Metzger: “Size and ordering of sputtered Co nanoparticles in Co/Cu multilayers” Nuclear instruments and methods B, 200 (2003) 142 F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori, I.Bergenti, A.Deriu, A.Hoell: “Small-angle neutron scattering measurements with polarised neutrons on Fe-Ag magnetic granular systems” J. Appl. Crystal., 36 (2003) 826  D. Bisero, E. Angeli, L. Pizzo, F. Spizzo, P. Vavassori and F. Ronconi: “Transport properties and magnetic disorder/order transition in FexAg100-x films” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 84 D. Bisero, E. Angeli, F. Spizzo, P. Vavassori, and F. Ronconi: “Coercive field vs temperature in Fe/Ag nanogranular films” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 116

P. Vavassori, E. Angeli, D. Bisero, F. Spizzo, F P. Vavassori, E. Angeli, D. Bisero, F. Spizzo, F. Ronconi: “Spin-dependent transport in granular films with mixed length-scale magnetic coherence” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 52   P. Vavassori, F. Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, and F. Ronconi: “Evolution from multilayer to granular behaviour via Cobalt layers fragmentation in Co/Cu multilayers” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 120 F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori, I.Bergenti, A.Deriu, A. Hoell: “FeAg magnetic granular systems: a sans study with polarised neutrons” Physica B, 335 (2003) 119 G. Albanese, A. Deriu, J. Moya, E. Angeli, D. Bisero, A. Da Re, F. Ronconi, F. Spizzo, P. Vavassori, M. Baricco, E. Bosco: “Mössbauer investigation of Au/Fe alloys with giant magnetoresistance properties” J. Magn. Magn. Mater., in print F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori: “Mössbauer investigation of sputtered FexAg100-x films” J. Magn. Magn. Mater., in print