1 Progetto FIRB : microsistemi basati su materiali magnetici innovativi strutturati su scala nanoscopica (microsistemi e nanomateriali magnetici) Unità Operativa: Università di Parma Responsabile: Giovanni Asti Gruppo Magnetismo e Materiali Magnetici G. Asti, M. Ghidini, M. Solzi, Coll.: M. Mulazzi, F.M. Neri, R. Pellicelli, P. Podini WP1, Sensori, microattuatori e micromagneti WP4, Diagnostica

1 Magneti permanenti a film sottile I magneti permanenti a film sottile sono importanti per sviluppi futuri relativi a: Mezzi per registrazione magnetica Sistemi micro-elettro-meccanici (MEMS) micro-attuatori bi-direzionali con forza elevata microsensori di bassa potenza micro-motori e micro-pompe Isolatori e circolatori in circuiti fotonici integrati (PIC) Circuiti integrati monolitici per microonde (MMICs). T.S. Chin, J. Magn. Magn. Mater. 209 (2000) 75 WP1 – Attività 2

1 Magneti nano-compositi Attuale obiettivo tecnologico: Attuale obiettivo tecnologico: sviluppo di magneti permanenti dalle prestazioni eccezionali per MEMS e magnetoelettronica (elevata densità di energia) possibile soluzione : possibile soluzione : magneti compositi ottenuti combinando le migliori proprietà di un materiale magnetico soft (elevata M r ) e di uno hard (grande H c ) tramite laccoppiamento di scambio su una scala nanometrica. In particulare multistrati orientati in linea di principio possono raggiungere il limite teorico di 1 MJ/m 3 per la densità di energia [ R. Skomski, J.M.D. Coey, Phys. Rev. B 48 (1993) ]. WP1 – Attività 2

1 Compositi magnetici planari hard/soft micromagnetica Sistemi artificiali descrizione micromagnetica Diagramma di fase tailoring Diagramma di fase magnetico come strumento per il tailoring – Risultati: Suscettibilità critica Suscettibilità critica, campi critici, ruolo della microstruttura Nucleazione Nucleazione e sganciamento di parete Anisotropia perpendicolare Anisotropia perpendicolare, disallineamento, disaccoppiato Magnete disaccoppiato Indicazioni emerse: magnete rigido – Non il magnete spring (ES) ma il magnete rigido (RM) massima densità di energia – Nanostrutturazione – Nanostrutturazione spinta anisotropia dinterfaccia anisotropia dinterfaccia ferri- o antiferro fase hard ferri- o antiferro-magnetica WP1 – Attività 2

1 Il diagramma di fase magnetica sistema composito Fe/NdFeB. Linea delle biforcazioni Magnete disaccoppiato (DM) Magnete rigido (RM) Magnete Exchange-spring (ES) H c2 =H c1 H c1 H c2 c <0 c >0 Linea critica c H c1 H c2 WP1 – Attività 2

1 Compositi magnetici planari hard/soft Problemi aperti: scambio – Interazione di scambio allinterfaccia soft compositi ad alta % soft – Coercitività Comprensione dei meccanismi schiere reticoli e schiere di micromagneti (< 1 m) – Morfologia Granulometria, tessitura Fase soft amorfa, soft/hard isomorfi multistrati WP1 – Attività 2

1 Reversal nei bistrati hard-soft Descrizione dellinversione della magnetizzazione (reversal) nei compositi planari (magneti exchange-spring) Modelli discreti Modelli analitici del continuo Il reversal incomincia ad un ben definito campo critico: il campo di nucleazione H c1 (o campo di exchange-bias ), al quale i momenti magnetici incominciano a deviare dalla direzione facile in modo non uniforme. Linversione irreversibile dellintero sistema avviene poi al campo di reversal H c2. il bistrato è equivalente a un multistrato sotto condizioni al contorno periodiche W. Andrä, IEEE Trans. Magn. 2, 560 (1966). E.E. Fullerton et al., Phys. Rev. B 58 (1998) M. Amato et al., Phys. Rev. B 60, 3414 (1999). E. Goto et al., J. Appl. Phys. 36, 2951 (1965). F. B. Hagedorn, J. Appl. Phys. 41, 2491 (1970). T. Leineweber et al., J.M.M.M. 176 (1997) 145. WP1 – Attività 2

1 Il modello micromagnetico Modello monodimensionale del continuo Energia libera: Problema variazionale La inclusione di termini di ordine più elevato (4 ° ) consente di ottenere lespressione analitica della suscettibilità critica c t 1 = ( x 0 – x 1 ), t 2 = ( x 2 – x 0 ) Semi-spessori degli strati WP1 – Attività 2

1 La suscettibilità critica diagramma difase t 1 e t 2 c definisce un diagramma di fase nel piano dei semi-spessori degli strati t 1 e t 2 WP1 – Attività 2

1 Il campo di depinning campoH dw depinning) Lespressione analitica del campo H dw di disancoraggio (depinning) della parete di dominio è : tipici campicoercitivi E interessante notare che questo campo è dello stesso ordine di grandezza dei tipici campi coercitivi dei magneti permanenti massivi Nel caso di un sistema Fe/NdFeB : H dw = 0.54 MA/m, che è circa il 10% del campo di anisotropia H A2 della fase hard. WP1 – Attività 2

1 The ES case: critical fields Bifurcation Bifurcation of the iso-field lines in the ES region: nucleation (H c1 ) and reversal (H c2 ) critical fields Numerical evaluation of the demagnetization curves: SmCo/Fe multilayer 2t 2 = 20 nm fixed ( SmCo ) t 1 variable ( Fe ) H c [MA/m] H c1 H c2 WP1 – Attività 2

1 Influence of intrinsic layer parameters WP1 – Attività 2

1 Measurement of the exchange stiffness constant in FePd thin films By X-ray Resonant Magnetic Scattering WP1 – Attività 2 Collaborazione con CEA/Grenoble, Laboratoire de Cristallographie, Grenoble, LURE, Orsay FePd films with Perpendicular Magnetic Anisotropy Measurement of T dependence of the exchange stiffness constant up to 400 °C X-ray Resonant Magnetic Scattering (XRMS) measurement of both the stripe domain nucleation field and of the domain width at nucleation

1 Risultati WP1 – Attività 2

1 Magnetometria Tecniche convenzionali – MAGLAB platform – MAGLAB platform (AC susceptometer 10Hz- 10KHz, DC Extraction Magnetometer, Transport Measurement Probe), K, in 7 T longitudinal fields. Low fields operation (10 nT), by a 3-axis Helmholtz cage platform; – DSM -8 stationary pendulum – DSM -8 stationary pendulum; field 2 T, K – SQUID magnetometer/susceptometer – SQUID magnetometer/susceptometer MPMS XL5, field 5 T, K, 0.01 Hz - 1 kHz, ac field 20 nT-2 mT (ultra-low field) WP4 – Attività 4

1 Magnetometria Tecniche speciali – Cantilever Torque Magnetometer – Cantilever Torque Magnetometer, nominal torque sensitivity is 1.5×10 -7 T – Vibrating Wire Susceptometer – Vibrating Wire Susceptometer: up to 1200 K, 200 K/min, field 2 T - 5 mT, sensitivity Am 2 /Hz 1/2 – ac loop tracer: – ac loop tracer: frequency Hz and AC field up to 5 mT – Transverse susceptibility – Transverse susceptibility in 2T fields (see above MAGLAB operation) – Second harmonic complex susceptibility – Second harmonic complex susceptibility(see above MAGLAB operation) WP4 – Attività 4

1 Magnetometria Tecniche in fase di sviluppo Tecniche in fase di sviluppo: – ATOM – ATOM (activated torsion oscillation magnetometer) Risonanza meccanica di una lamina vibrante azionata dalla coppia agente sul campione fissato alla estremità per effetto di un campo ac Prototipo 1 realizzato Sensibilità attesa Am 2 WP4 – Attività 4

1 Principi base dellATOM mechanical resonance of a millimeter-size cantilever shape anisotropy of thin films Displacement amplitude detection: the cantilever transduces rotation in displacement. We exploit this circumstance in the adopted detector : CAPACITY Torque magnetometer : the ATOM is practically insensitive to the contribution of the substrate WP4 – Attività 4

1 sample HxHx HyHy x y z Schema di principio WP4 – Attività 4

1 Il primo prototipo O(f c ): carrier frequency oscillator O(f m ): modulation frequency oscillator D: capacitance radio detector L: lock-in amplifier WP4 – Attività 4

1 Primi esperimenti WP4 – Attività 4

1 Primi esperimenti WP4 – Attività 4