Materiales Magnticos una aproximacin Oswaldo Morn C Departamento

Materiales Magnéticos, una aproximación Oswaldo Morán C. Departamento de Física Universidad Nacional de Colombia sede Medellín

Efecto Meissner

Magnetoresistancia Colosal (CMR)

Origen del magnetismo a. Movimiento orbital y de espín de e- b. Forma de interacción mutua entre e- = (e/2 me)L Sz = msħ; ms = -1/2, +1/2 Sz = -1/2 ħ down Sz = +1/2 ħ up

Leyes fundamentales E. ds = q/ε 0 B. ds = 0 d. B = μ 0/4π [Idlxr/r 2] Ley Gauss Ley Biot-Savart

Definiciones y Unidades Tres vectores magnéticos H Campo magnético M Magnetización B Inducción magnética Unidades? confusión prevalece ! Razón: Magnetostática es presentada en dos formas a. Polos magnéticos ficticios (CGS) b. Fuentes de corriente (SI).

Espira de corriente r H = I/2 r [Amperes/meter, A/m] m = I x Area [Am 2] Momento magnético M = m/V [A/m] intensidad de la magnetización = m/mass [Am 2/kg]

Susceptibilidad Magnética M/H= [adim. ] Describe los tipos de materiales magnéticos Permeabilidad Magnética = B/H fácil M >> 0 = B/H (vacío) Comportamiento magnético de un sólido / 0 = r

B = 0(H+M ) [Tesla, T] campo total 0 = 4 x 10 -7 Henry/m [Tm/A], SI 0 = 1, CGS B = H+4 M Gauss Oersted emu/cm 3 CGS, Gauss Oersted confusión ! Ej. : Btierra = 0. 5 Gauss = 0. 5 Oersted 0. 5 Gauss = 50 m. T [campo B] 0. 5 Oersted = 39. 8 A/m [Campo H]

Término Magnético Símbolo SI CGS Inducción magnet. B Tesla (T) Gauss (G) Campo magnet. H A/m magnetización M A/m Magnetización mol Factor de conversión 1 T = 104 G Oersted (Oe) 1 A/m =4 /103 Oe emu/cm 3 1 A/m = 10 -3 emu/cm 3 Am 2/kg emu/g 1 Am 2/kg = 1 emu/g Momento magnet. m Am 2 emu susceptibilidad vol. adimensional 4 (SI) = 1 (cgs) 0 4 x 10 -7 H/m = 1 adimensional (cgs) Permeabilidad del espacio libre H/m 1 Am 2 = 103 emu

Clases de Materials Magnéticos Mejor definición ! M material H = 0 Tipo de magnetismo H ≠ 0 Toda la materia es magnética !!! Unos magnéticos Distinción principal En algunos materiales no hay interacciones colectivas de m atómicos. En otros la interacción es fuerte.

Comportamiento magnético de la materia 1. Diamagnetismo 2. Paramagnetismo 3. Ferromagnetismo 4. Antiferromagnetismo 5. Ferrimagnetismo Diamagnetismo, paramagnetismo: interaccionas magnéticas colectivas Magnéticamente no ordenados

Ferromagnetismo, Ferrimagnetismo Antiferromagnetismo Orden magnético de rango largo debajo TC Ferromagnetismo, Magnéticos (similar Fe) Ferrimagnetismo Antiferromagnetismo No “magnéticos”

Comportamiento magnético de la materia

1. Diamagnetismo propiedad básica de la materia Causa: Comportamiento no cooperativo de los e- orbitando cuando se exponen a un H. mneto= 0 orbitales llenos, e- apareados

Experimentalmente quarzo (Si. O 2): -0. 62 x x 10 -8 m 3/kg Calcita (Ca. CO 3): -0. 48 x 10 -8 m 3/kg Agua: -0. 90 x 10 -8 m 3/kg

2. Paramagnetismo algunos átomos, mneto 0 orbitales parcialmente llenos, e- no apareados m individuales no interactuan mutuamente ! Fe e- no apareados Eficiencia H alineamiento m= 1/T

T normales, H moderados para. (+) pequeña > diamag. = f (H), excepto T << 100 K, H >> para. contenido Fe Minerales con Fe = Paramag. T = 300 K Ejemplos } Montmorillonita (arcilla) 13 Nontronita (arcilla rica en Fe) 65 Biotita (silicato) 79 Siderita(carbonato) 100 Pirita (sulfide) 30 X 10 -8 m 3/kg

3. Ferromagnetismo Fe, Ni, Co magnetita m interacción fuerte Origen: Fuerzas de intercambio electrónico Muy intensas 1000 T! 100. 000 campo terrestre ! Fenómeno cuántico, debido a orientacion relativa de espines de 2 e- m grande, también a H = 0

Características principales: (1) magnetización espontánea (2) T de ordenamiento magnético magnetización espontánea Mneta dentro Vmicros. magnetizado uniforme/ en H = 0 [magnetización espontánea (T= 0 K)] = f (espín e-) magnetización de saturación mmax. inducido en un Hsat.

Diferencia entre Mespon y Msat dominios magnéticos Msat. propiedad intrínseca, = f( tamaño de partícula), f (T). H = 0

Ferromagnetismo vs. Paramagnetismo Hsat (T) paramagnéticos >10 ferromagnéticos ~1 T range (K) 10 -8 m 3/kg <<100 ~300 ~50 1000 -10000 La 2/3 Ca 1/3 Mn. O 3

Temperatura de Curie, TC Magnetita

Histéresis magnética Sr. Ru. O 3

4. Ferrimagnetismo Forma compleja de ordenamiento magnético Razón: estructura cristalina Ejemplo. Ba. O. 6 Fe 2 O 3: celda unitaria 64 iones Ba y O: m = 0 16 Fe 3+ iones alineados parallelo and 8 Fe 3+ antiparalelo M neta paralela a H, pero muy pequeña. ⅛ de los iones contribuyen a M del Material

5. Antifferromagnetismo Canteado, m << 0

Propiedades magnéticas de minerales Mineral Composición Orden Magnético Tc(°C) ss (Am 2/kg) Oxidos Magnetite Fe O ferrimagnetic 575 -585 Ulvospinel Fe Ti. O AFM -153 Hematite a. Fe O canted AFM 675 Ilmenite Fe. Ti. O AFM -233 Maghemite g. Fe O ferrimagnetic ~600 ~80 Jacobsite MNFe O ferrimagnetic 300 77 Trevorite Ni. Fe O ferrimagnetic 585 51 Magnesioferrite Mg. Fe O ferrimagnetic 440 21 Pyrrhotite Fe S ferrimagnetic 320 ~20 Greigite Fe S ferrimagnetic ~333 ~25 Troilite Fe. S AFM 305 a. Fe. OOH AFM, weak FM ~120 3 4 2 2 2 3 2 2 4 4 2 4 90 -92 0. 4 Sulfuros 7 3 8 4 Oxyhydroxides Goethite <1

Anisotropía magnética (AM) Dependencia de las propiedades magnéticas de una dirección preferida ! Base Teoría de Ferro- y antiferro. F intercambio e- F fuerte m espontánea en H = 0 ms H 0 Ferro- y antiferro. no saturados aún en H = 0 ? Saturado R: / H = 0 Saturado M = 0 (H = 0)

Anisotropía magnética (AM) Influencia de la estructura cristalina y forma de los granos sobre dirección M ? Tipos de AM 1. Magnetocristalina estructura cristalina 2. Forma forma de grano 3. Tensión tensión aplicada o residual AM Forma de la Histéresis, control de HC y MS. 1. A. Magnetocristalina propiedad intrínseca, no función de tamaño de grano y forma.

Experimentalmente Anisotro. magnetocristalina: energía necesaria para deflectar m en un monocristal del eje facial al difícil. Origen eje fácil (difícil): interacción espín-red cristalina (acoplamiento espín-órbita

General concepts 5. Thin Films and multilayers

Thin film fabrication a. Physical methods Sputtering b. Chemical methods • electrochemical segregation • Sol-gel processes • Spray Pulsed Laser Deposition (PLD)

Spintronics = Magnetism + Electronics Conventional Electronics ? Aim: To manipulate S in transport processes Spin control → +1 grade of freedom for engineering of electronic devices.

Achievements: Spin-dependent transport processes in: • • Metallic Multilayers (GMR) Ferromagnetic tunnel junctions Ferromagnetic Oxides (CMR) Semiconductors

Mechanism of Spintronics 1. 2. Contribution to electrical transport processes Why ? I a. n b. I

Spin accumulation F =q. E = dp/dt = (ħ/2 ) k/ k E Brillouin Zone → I Co → → Ag n >n M 0 Ag

Spin accumulation Half-metallic Ferromagnet (HMF) → → → Ag

Spin Diffusion → I Co Ag sd = (lv. F /3)1/2 = Spin diffusion length l = mean free path v. F = Fermi velocity 106 m/s = Spin-flip time Ag + impurities ℓ , sd e. g. sd m (Ag pure) sd 10 nm (Ag + 1% Au

CONTENTS • Motivation • Materials for Spintronics • Fabrication Methods • Characterization Techniques • Experimental Results • Conclusions

Two terminal Spintronics H cryostat Spin valve hard-disk read-head Function: R 100 % R > R GMR

Spin valve polarized light HMF d When d sd HMF spin polariser spin filter I = f ( , )

Spin tunneling processes IT = f (V, , d) metal insulator Insulator ≡ = EF-EC

Spin tunneling processes Spin valve HMF I HMF d I = 0 H I 0 = Spin electronic switch

Spin tunneling processes Spin tunneling junctions (STJ) device characteristics { f (DS , ) [ GSTJ /A < Gmetal/A • “on” R • J • Vinput • Itotal → tuned ] I= GV VSTJ > Vmetal (> m. V) • cross-section • • d a. Spin-injector stages STJ b. New generation tunnel MRAM

Three terminal Spintronics E 1 B C 3 pump V 2 Jhonson transistor Function: C, floating → IEB, pumped VC = f (E , E ) H VC → VC, monitored

Three terminal Spintronics 1 E B C 3 HMF pump 2 Stationary state: IBC = 0 VC = f (HMF , HMF ) H → IEB → VC V

Conclusions • The direction leading to a new wave of active spin electronic devices and eventually to single-spin devices is signposted. • A closer integration of magnetic with conventional semiconductor technology is possible. A magnetic semiconductor working at RT would be a formidable advance for Spintronics.