Cuando el desorden genera magnetismo

Temas de Física
Cuando el desorden genera magnetismo
E. Menéndez1, J. Sort2, A. Varea3, A. Concustell3, S. Suriñach3,
J. Montserrat4, E. Lora-Tamayo4, M. D. Baró3 y J. Nogués5
En los últimos años, el desarrollo de nuevos métodos para la fabricación de redes ordenadas de
nanoestructuras magnéticas (litografía magnética) se ha convertido en un campo de investigación
de gran interés. Esto se debe tanto a la gran variedad de aplicaciones tecnológicas que se derivan de las
estructuras magnéticas de tamaño submicrométrico (por ejemplo, en biomedicina, grabación magnética, etc.), como a razones de carácter más fundamental, ya que a menudo el comportamiento magnético
de estos materiales a escala nanométrica es diferente del correspondiente a los materiales macizos. Las
aleaciones de Fe60Al40 (porcentaje atómico) poseen una combinación de propiedades estructurales y
magnéticas que las convierte en materiales con potencial para ser litografiados magnéticamente. Desde
un punto de vista magnético, mientras las aleaciones de Fe60Al40 ordenadas atómicamente son paramagnéticas a temperatura ambiente, las aleaciones de Fe60Al40 desordenadas a nivel atómico presentan
un comportamiento ferromagnético. En este artículo, se presentan los resultados obtenidos a lo largo
de estos últimos años de las diferentes estrategias seguidas para generar redes ordenadas de entidades
ferromagnéticas a escala micro/nanométrica, dentro de una matriz paramagnética, en la superficie de
aleaciones de Fe60Al40 con el fin de producir materiales con potencial para ser usados como medios
de grabación magnética. Esto se ha logrado aprovechando las transiciones magnéticas que tienen lugar
en esta aleación después de someterla a procesos de deformación plástica local (nanoindentación) e
irradiación controlada con iones (usando tanto haces de iones focalizados como irradiación con iones
de gases nobles a través de máscaras).
1. Introducción
Desde tiempos ancestrales, en Asia Menor, ya se conocía
la propiedad que un mineral llamado magnetita tenía de atraer
al hierro. Durante cientos de años, la historia del magnetismo
estuvo ligada a la utilización de la brújula. Las aplicaciones
de los fenómenos magnéticos se han visto ampliamente
diversificadas: los imanes se utilizan en motores, aparatos
de radio y televisión, dispositivos electrónicos, sistemas de
sellado y suspensión, memorias magnéticas, guías de haces
de partículas en fuentes de luz sincrotrón, etc. [1].
Desde un punto de vista macroscópico, la respuesta de
un material al campo magnético H viene cuantificada por
una magnitud que se llama imantación, designada por M. Las
propiedades magnéticas de un material no sólo están caracterizadas por el valor y signo de M, sino también por la manera
como M varía con H. Las curvas M vs. H se denominan
curvas de imantación o ciclos de histéresis. Según el tipo de
material, se pueden obtener diferentes curvas de imantación.
Como se puede ver en la figura 1, en los materiales ferromagnéticos (por ejemplo, los imanes), la dependencia de la
imantación con el campo no es lineal sino que presenta fenómenos de saturación e histéresis. Por saturación, entendemos
el hecho de que, para valores suficientemente elevados de
H, la imantación M se hace constante y toma el valor de la
imantación de saturación, designada por MS. Histéresis hace
referencia al hecho que, después de la saturación, la disminución de H hacia cero no reduce M a cero, sino a un valor que
llamamos imantación de remanencia, MR. Dependiendo del
signo del campo magnético aplicado, se obtiene un valor
de remanencia positivo o negativo (en otras palabras, el
material tiene memoria de su historia magnética previa). Esta
M
(emu/cm3)
2
Ms
MR
1
50100
–100–50
HC
H(Oe)
–1
–2
Fig.1. Curva de imantación típica de un material ferromagnético [2].
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M
Multidominio
H
M
Dominios de
cierre de flujo
H
Disminución
de tamaño
Vórtice
M
Monodominio
H
M
Siperparamagnético
H
Fig.2. Configuraciones magnéticas y curvas de imantación correspondientes a un estado multidominio, de cierre de flujo magnético,
monodominio y superparamagnético [4].
característica es la que permite almacenar la información a
nivel magnético. Además, para reducir la imantación a un
valor nulo, hay que aplicar un campo magnético distinto
de cero, el cual llamamos coercitividad, HC [2,3].
Hay que tener en cuenta que, cuando las dimensiones
de los materiales ferromagnéticos se reducen hasta escalas
micro-o nanométricas, sus propiedades pueden variar drásticamente respecto a las que se presentan cuando el material es macroscópico [4]. Si el material es suficientemente
grande (escala macroscópica), los momentos magnéticos de
cada átomo se alinean paralelamente con los de los átomos
vecinos en determinadas regiones del material llamadas
dominios magnéticos, formando así un estado multidominio
(tal y como se muestra en la figura 2). De todas formas, si
las dimensiones se reducen suficientemente (hasta el orden
de unos cientos de nanómetros o de unos pocos micrómetros
dependiendo del material), los dominios magnéticos tienden
a formar estructuras de cierre de flujo que, cuando presentan
una geometría circular, se denominan vórtices magnéticos.
En este caso, en ausencia de campos magnéticos externos, la
magnetización del material es prácticamente nula (el sistema
casi no presenta remanencia). Esto hace que en el ciclo de
histéresis muestre una constricción en su parte central (ver
figura 2). Desde el punto de vista de la grabación magnética,
la formación de estructuras de cierre de flujo no es deseable debido a la no existencia de remanencia. En elementos
aún más pequeños (generalmente del orden de decenas
de nanómetros), no existe suficiente volumen de material
para formar más de un dominio magnético y el sistema se
configura en un estado de dominio único que se denomina
monodominio. Este es, de hecho, un estado ideal para el
almacenamiento de información magnética: la remanencia
toma el mismo valor que la imantación de saturación y el
ciclo es completamente cuadrado con una coercitividad relativamente grande, que hace que cueste desimantar el material (o, lo que es paralelo, borrar la información magnética
previamente grabada). Finalmente, si las estructuras magnéREF, Vol. 26-1, Enero-Marzo 2012
ticas son demasiado pequeñas, la agitación térmica predomina y hace fluctuar la orientación del dominio magnético
de manera que la histéresis desaparece. Este fenómeno, que
se denomina superparamagnetismo, es el principal factor
que limita la cantidad de datos que se pueden almacenar por
unidad de área en las memorias magnéticas como los discos
duros de los ordenadores.
Durante los últimos años ha existido un gran interés
por implementar nuevos métodos de fabricación de redes
ordenadas de estructuras ferromagnéticas a escala nanométrica (dimensiones de las entidades del orden de decenas o
cientos de nanómetros), preferiblemente en estado monodominio [4]. Entre las posibles aplicaciones de estos pequeños
imanes se pueden destacar, por ejemplo, su uso en sistemas
de almacenamiento magnético de datos (las memorias magnéticas), en los sensores magnéticos o en diversas aplicaciones biomédicas (por ejemplo, la liberación controlada y local
de ciertos fármacos). Asimismo, muchas de las aplicaciones
en nanomagnetismo requieren que las estructuras se dispongan formando redes ordenadas y que los elementos magnéticos estén mutuamente separados por una fase no magnética
(entendida como una fase no ferromagnética) para evitar así
los posibles efectos negativos debidos a las interacciones
entre unidades vecinas (en el ámbito de las memorias magnéticas, hay que evitar que las mismas unidades de información perturben o borren la información de otras).
Los medios magnéticos litografiados (patterned media en
inglés) están constituidos por pequeños imanes aislados unos
de otros y separados por una fase no ferromagnética. Estos
sistemas ofrecen en la actualidad un avance significativo
respecto a los medios magnéticos continuos convencionales
(por ejemplo, en discos duros), ya que permiten una reducción significativa del tamaño de las unidades de información
(bits) y minimizan las interacciones entre entidades. Entre
los métodos de nanofabricación de elementos magnéticos
litografiados, se pueden destacar la litografía por haz de
electrones, la litografía por haz de rayos X, la nanoimprintación sobre sustratos con resina, la electrodeposición en
membranas porosas o las rutas químicas para la fabricación
de nanopartículas [4]. En la mayoría de los casos, la técnica de micro-o nanoestructuración está compuesta por varias
etapas que hacen que el proceso global sea relativamente
lento y económicamente costoso. Típicamente, estos medios
litografiados se depositan directamente sobre sustratos o
bien se obtienen mediante el ataque físico selectivo de capas
magnéticas continuas. Sin embargo, estos procesos litográficos convencionales no son óptimos para el almacenamiento
de alta densidad ya que el perfil de superficie del material
no es plano (existe topografía debido al ataque selectivo o
la deposición), pudiendo dar lugar a graves problemas tribológicos (de interacción física entre el medio y el cabezal de
lectura), ya que sólo existen unos pocos nanómetros entre los
cabezales y la superficie donde se almacena la información.
Para evitar este problema, desde finales de los años 90, se
han ido buscando nuevos métodos para la generación de
elementos magnéticos discretos sin modificar el perfil liso
de la superficie del medio. Una posibilidad es la de utilizar
la irradiación con haz de iones para generar ferromagnetismo
en láminas de FeAl no magnéticas (entendiendo como no
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33
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magnético el comportamiento no ferromagnético; en el caso
del FeAl, paramagnético).
Cabe mencionar que, anteriormente, se había utilizado la
irradiación con haz de iones para: (i) crear nanoestructuras
con anisotropía magnética en el plano de la muestra, dentro
de una matriz con anisotropía perpendicular al plano de la
superficie [5], (ii) crear nanoestructuras magnéticamente
blandas (con HC pequeña), dentro de una matriz magnéticamente dura (con HC grande) o viceversa [6], o (iii) crear
redes de elementos con eje de anisotropía en el plano orientado en dirección distinta a la de la matriz [7]. En la mayoría
de los casos, la irradiación se ha utilizado para modificar un
orden ferromagnético preexistente, de modo que el problema de las interacciones entre los elementos irradiados y la
matriz, que también es magnética, permanece.
Nuestra estrategia de utilizar la irradiación para crear
redes de elementos ferromagnéticos dentro de una matriz
no magnética supone un avance respecto a los estudios que
se han realizado hasta el momento. En este artículo, presentamos los procedimientos que hemos desarrollado recientemente para fabricar nanoestructuras magnéticas en la superficie de materiales no magnéticos. Estas rutas se basan en la
generación local de ferromagnetismo mediante deformación
plástica o irradiación con iones.
2. Nuevos procedimientos de litografiado magnético
En la naturaleza existen determinados materiales que no
son ferromagnéticos pero que tienen la capacidad de transformarse a ferromagnéticos cuando son sometidos a deformación plástica. Ejemplo de esos materiales son los aceros
austeníticos, que se transforman en fase martensita (que es
ferromagnética) al ser deformados [8], o los intermetálicos,
como el FeAl, el CoGa, el CoAl, el Ni3Sn2, el FePt3 o el
Fe2AlMn. En los intermetálicos atómicamente ordenados,
cada átomo del elemento ferromagnético se encuentra básicamente rodeado por átomos del elemento no magnético,
impidiendo así las interacciones de canje magnético con el
resto de elementos ferromagnéticos (configuración no ferromagnética). Sin embargo, al introducir desorden atómico
(entendido parcialmente como una mezcla posicional entre
los átomos no magnéticos y los ferromagnéticos), estas aleaciones se vuelven ferromagnéticas debido a la proximidad
entre átomos ferromagnéticos conseguida por el desorden,
que da lugar al acoplamiento de canje magnético.
Hemos estudiado en detalle el caso de la aleación Fe1-xAlx.
Para 50 > x > 32 (porcentaje atómico) en su estado atómicamente ordenado, esta aleación no es ferromagnética a temperatura
ambiente. De todos modos, bajo la acción de tensiones, los
átomos de Fe se desplazan a las posiciones de los átomos de Al
(y viceversa) dando lugar a ferromagnetismo. La correlación
entre desorden estructural y magnetismo inducido fue estudiada
en detalle hace unos años, en polvo de Fe60Al40 sometido a un
proceso de molienda mecánica [9]. Recientemente, haciendo
uso de estos conocimientos previos, hemos explorado nuevas
rutas para inducir ferromagnetismo, de manera local y selectiva,
en láminas de Fe60Al40 inicialmente no magnéticas [10,11]. Las
láminas de Fe60Al40 que hemos utilizado fueron obtenidas a par
(a)
1 nm
(b)
Fig.3. (a) Imagen de la topografía de las indentaciones (obtenida por
microscopía de fuerzas atómicas) realizadas sobre la superficie de
una lámina de Fe60Al40 utilizando una punta piramidal tipo Berkovich y aplicando una fuerza de 12 mN. (b) Imagen del contraste magnético correspondiente a las indentaciones mostradas en (a), obtenida
mediante un microscopio de fuerzas magnéticas.
tir de procesos de laminación y contienen pequeñas cantidades
(< 0.1% atómico) de otros elementos (C, Mo y Zr) que aumentan la ductilidad del material. Las muestras fueron inicialmente
pulidas con pasta de diamante hasta alcanzar una apariencia
especular. Cabe remarcar que el pulido es suficiente para
inducir magnetismo en la superficie de las láminas. Por esto
es necesario recocerlas una vez pulidas, a una temperatura de
unos 900 K, para asegurar la obtención de un estado atómicamente ordenado y por tanto no ferromagnético.
Nuestro enfoque inicial consistió en usar la nanoindentación como proceso para generar desorden de manera
controlada y en consecuencia generar magnetismo localmente. La nanoindentación es una técnica de deformación
local que se ha desarrollado en los últimos años para caracterizar las propiedades mecánicas de materiales micro-y
nanoestructurados [12]. La idea es utilizar una punta
de diamante (típicamente de geometría piramidal –por
ejemplo, las puntas tipo Berkovich– y de dimensiones
micrométricas) para penetrar controladamente (indentar)
la superficie del material. A medida que la punta va penetrando en el interior de la muestra, se registra su desplazamiento en función de la fuerza aplicada. Para producir
indentaciones (es decir, huellas permanentes) micrométricas, se aplicaron fuerzas del orden de decenas de mN. En
la figura 3, se muestra un conjunto de indentaciones de
geometría triangular obtenidas por nanoindentación en una
lámina de Fe60Al40 [10]. Las imágenes de microscopía de
fuerzas atómicas indican que la superficie del material se
deforma permanentemente al ser indentada. Las imágenes
de microscopía de fuerzas magnéticas muestran que el
magnetismo está básicamente confinado en el interior de
la zona deformada.
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Las propiedades magnéticas de las zonas indentadas fueron estudiadas también mediante un magnetómetro de efecto
Kerr magneto-óptico. Con este instrumento se detectan los
cambios del ángulo de polarización de la luz de un láser (con
diámetro de haz de aproximadamente 5 nm) al ser reflejada
en la superficie de un material ferromagnético. Este cambio
de ángulo de polarización es proporcional al momento magnético de los átomos de la muestra. En la figura 4, se muestran los ciclos de histéresis obtenidos con este magnetómetro,
correspondientes a una región no deformada, a un conjunto
de indentaciones obtenidas con la punta Berkovich aplicando
fuerzas de 3 y 12 mN respectivamente, y a una lámina comprimida uniformemente con una presión de 6 MPa.
Tal y como se puede observar en la figura 4, la curva de
imantación medida en una zona de la muestra no deformada es lineal y no presenta histéresis. Esto significa que la
muestra no es ferromagnética, tal y como corresponde a las
láminas de Fe60Al40 no deformadas (atómicamente ordenadas). Al aplicar una presión homogénea sobre toda la muestra, se genera ferromagnetismo (ver figura 4(d)). El valor
de la coercitividad en este caso es aproximadamente 4 mT.
Valores de coercitividad un poco más elevados (alrededor de
unos 10 mT) se obtienen cuando se mide el ciclo de histéresis de las regiones donde se han hecho las indentaciones.
Como el ferromagnetismo en estas regiones está confinado,
las paredes de dominio no se pueden propagar libremente
con el campo magnético aplicado y en consecuencia la coercitividad aumenta. Hay que tener en cuenta que en las regiones indentadas el valor de la magnetización de remanencia es
cercano al de saturación, lo que es deseable para almacenar
información magnética.
M (a.u.)
(b)
M (a.u.)
(a)
Zona no
deformada
Indentaciones
F=3 mN
–20
–15
–10–50 5101520 –20
–15
–10–50 5101520
n0H (mT)
n0H (mT)
M (a.u.)
(d)
M (a.u.)
(c)
De todos modos, la utilización de la nanoindentación
como técnica de litografía magnética tiene algunas desventajas. En primer lugar, es difícil conseguir estructuras
más pequeñas de 800 nm. Por otra parte, la nanoindentación siempre deja una huella física sobre la superficie de
la muestra, lo que no es apropiado desde un punto de vista
tribológico. Aparte de la litografía magnética (es decir la
generación de redes de estructuras ferromagnéticas), existe
también una litografía física (cambios topográficos) en la
superficie del material debido a la deformación permanente. Además, el abanico de geometrías magnéticas que se
pueden generar está limitado por la geometría de la punta
utilizada. Finalmente, hay que decir que la nanoindentación es un proceso en serie, donde cada elemento se fabrica
independientemente, lo que hace que el proceso global sea
relativamente lento.
Para superar algunas de estas deficiencias y, en particular,
la modificación de la superficie del material, hemos utilizado la irradiación con iones como técnica para generar, de
manera selectiva, desorden atómico en láminas de Fe60Al40.
La irradiación se ha realizado de dos maneras diferentes: (i)
utilizando un haz de iones de Ga+ focalizado (de unos pocos
nanómetros de diámetro) con una dosis de 1.5 x 1016 iones/cm2,
que corresponde aproximadamente a 50 desplazamientos por
átomo (dpa), y (ii) irradiando con un haz continuo ( aproximadamente 1 cm de diámetro) de iones de He+, Ne+, Ar+, Kr+ y Xe+,
con dosis que varían entre 1.0 x 1013 y 1.0 x 1016 iones/cm2
(lo que produce entre 0.5 y 5 dpa) a través de rejillas usadas en
microscopía electrónica de transmisión, máscaras de alúmina
y polimetilmetacrilato (PMMA) [11,13]. Estas máscaras de
irradiación, deben ser suficientemente gruesas para evitar que
sean atravesadas por los iones incidentes y generen ferromagnetismo de una forma homogénea a lo largo de toda la superficie de la muestra (ver la figura 5). La energía de los iones
se ha ajustado en cada caso para que el daño que causan en el
material se concentre en los primeros 20 nanómetros de la
superficie irradiada. Cabe destacar que los desplazamientos
por átomo permiten cuantificar el daño físico causado a
nivel atómico.
En la figura 6 se muestra una imagen, obtenida mediante microscopía de fuerzas magnéticas, de unas estructuras
Indentaciones
F=12 mN
(a)
Lámina
compactada
uniformemente
Iones
Máscara
(b)
Iones
Máscara
–20
–15
–10–50 5101520 –20
–15
–10–50 5101520
n0H (mT)
n0H (mT)
Fig.4. (a) Curva de imantación correspondiente a una zona de la lámina de Fe60Al40 no deformada obtenida mediante magnetometría de
efecto Kerr. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las indentaciones sobre la superficie del Fe60Al40 utilizando una punta piramidal
tipo Berkovich y aplicando una fuerza de 3 mN. (c) Ciclo de histéresis correspondiente a las indentaciones sobre la superficie de Fe60Al40
utilizando una punta piramidal tipo Berkovich y aplicando una fuerza
de 12 mN. (d) Ciclo de histéresis correspondiente a una lámina de
Fe60Al40 uniformemente comprimida con una presión de 6 MPa.
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Material
Material
Zona ferromagnética
Fig.5. Representación esquemática del proceso de irradiación a través de una máscara suficientemente gruesa, que no permite el paso
de los iones y, por tanto, permite una irradiación local, (a) y otra que
debido a su poco grosor causa que toda la superficie se vuelva ferromagnética ya que los iones la penetran (b).
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Cuando el desorden genera magnetismo
100 mT
200 nm
(a)
(b)
(c)
(d)
M (a.u.)
(b)
(a)
–150–100 –50 0 50 100 150
n0H (mT)
Fig.6. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéticas de
un conjunto de estructuras circulares preparadas mediante irradiación
con un haz de iones de Ga+ focalizado; la imagen fue registrada bajo
la aplicación de un campo magnético de 100 mT, después de haber
saturado la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las mismas estructuras [11].
50
40
Rotación Kerr (mdeg)
30
20
10
0
–10
–20
1 x 1015 iones/cm2 (5 dpa)
–30
1 x 1014 iones/cm2 (0.5 dpa)
1 x 1013 iones/cm2 (0.05 dpa)
No irradiada
–40
–50
–30 –20 –100 10 20 30
n0H (mT)
Fig.7. Dependencia del ferromagnetismo generado en función de la
dosis de iones utilizada correspondiente a iones de Xe+ a 45 keV de
energía [14].
circulares preparadas por irradiación con un haz de iones
focalizado. Es importante subrayar que las estructuras magnéticas generadas mediante este proceso tienen dimensiones
inferiores a 100 nm [11]. También se presenta el ciclo de
histéresis correspondiente. En este caso, el ciclo es completamente cuadrado y la coercitividad es mucho más elevada
que en las estructuras preparadas por nanoindentación. Esto
es debido a que, al ser las dimensiones tan pequeñas (diámetros por debajo de 100 nm), la inversión de la imantación
tiene lugar por formación de estados monodominio que, tal
y como se ha mencionado en la introducción, son óptimos
para la grabación magnética de alta densidad. Además, este
proceso de litografía no deja huellas permanentes en la
superficie de las estructuras, lo que permite minimizar los
posibles problemas de interacción entre el cabezal de lectura
y el medio magnético.
Pese a que la irradiación con haz de iones focalizado permite conseguir tamaños de bit muy pequeños sin
producir un ataque físico de la superficie de la muestra,
este proceso sigue siendo muy lento para aplicaciones
escalables a nivel industrial, pues se requiere fabricar las
estructuras de una en una (proceso en serie). Para superar
este inconveniente, se hizo también litografía magnética
Fig.8. (a) Imagen de microscopía de fuerzas atómicas y (b)-(d)
imágenes de microscopía de fuerzas magnéticas de una lámina de
Fe60Al40 después de ser irradiada con iones de Xe+ (40 keV, 2.0 x
1014 iones/cm2). En relación a las imágenes magnéticas, los siguientes campos magnéticos han sido aplicados durante la adquisición de
las imágenes: (b) 0 mT, (c) –40 mT, (d) 40 mT. Las flechas indican la
dirección del campo magnético aplicado [14].
utilizando un haz de iones no focalizado a través de diferentes máscaras de irradiación, de manera que se pudieran
obtener áreas grandes de estructuras magnéticas de manera
rápida (proceso en paralelo). Previamente, se llevó a cabo
un estudio preliminar sobre la cantidad de ferromagnetismo que se genera en función del tipo de ion y la dosis que
se utilizó. A modo de ejemplo, en la figura 7, se muestran
diferentes ciclos de histéresis, medidos por magnetometría de
efecto Kerr, correspondientes a la irradiación de las láminas
de Fe60Al40 sin introducir las máscaras. En este caso, toda la
muestra fue irradiada con iones de Xe+ a 45 keV. Tal y como se
puede observar, una dosis de 1.0 x 1013 iones/cm2 es suficiente
para generar una señal ferromagnética claramente medible.
Conviene notar que la cantidad de ferromagnetismo tiende
a saturarse para dosis superiores a 1.0 x 1014 iones/cm2.
Gráficas similares se obtienen si se emplean otros iones
pesados, como Ne+, Ar+ o Kr+. En el caso del He+, que es un
ión muy ligero, hay que utilizar dosis aún más elevadas [14].
Para fabricar grandes áreas (del orden de milímetros)
de estructuras magnéticas pseudo-ordenadas y de manera
rápida, se usó un haz de iones de Xe+ (energía de 45 kV
y dosis 2.0 x 1014 iones/cm2) para irradiar una lámina de
Fe60Al40, a través de una rejilla de uso común en microscopía electrónica (con agujeros de 7.5 x 7.5 nm2). En la
figura 8(a), que es una imagen de una zona irradiada a
través de la rejilla obtenida mediante microscopía de fuerzas atómicas, se puede observar como no existe, a nivel
topográfico, ninguna huella de la irradiación localizada.
Por el contrario y a pesar de la no existencia de litografía
física, se puede ver, en las imágenes de microscopía de
fuerzas magnéticas tomadas con campo magnético aplicado de la figura 8, como existe un contraste dipolar en las
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(a)
(b)
M (a.u.)
(a)
30 mT
1 nm
50 mT
(c)
–10–8–6–4–20 2 4 6 8 10
n0H (mT)
(d)
–40 mT
300 nm
–30 mT
(b)
400 nm
200 nm
M (a.u.)
Fig.10. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéticas de un conjunto de estructuras cuadradas preparadas mediante
irradiación con un haz de iones de Xe+ no focalizado a través de
una máscara litografiada de PMMA; la imagen fue grabada bajo la
aplicación de un campo magnético de 30 mT, suficiente para saturar
la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a estas estructuras
cuadradas. (c) y (d) Imágenes obtenidas por microscopía de fuerzas
magnéticas de un conjunto de estructuras elipsoidales y circulares,
respectivamente, preparadas de la misma manera [11].
–20–15–10–5 0
5 10 15 20
n0H (mT)
Fig.9. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéticas de un conjunto de estructuras circulares preparadas mediante
irradiación con un haz de iones de Xe+ no focalizado a través de
una membrana porosa de alúmina, la imagen fue registrada bajo
la aplicación de un campo magnético de 50 mT, suficiente para
saturar la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las
mismas estructuras.
fronteras de los imanes generados, demostrando que las
entidades magnéticas están embebidas en una matriz no
ferromagnética.
Con el objetivo de crear estructuras más pequeñas, se
hicieron pasar iones pesados de Xe+ a 45 keV a través de
máscaras de alúmina porosa (50 nm de espesor, con un
diámetro medio de poro de aproximadamente 300 nanómetros). El resultado se muestra en la figura 9. La imagen
de microscopía de fuerzas magnéticas correspondiente a
estas estructuras evidencia la existencia de un contraste
dipolar cuando se aplica un campo magnético suficientemente elevado. Esto quiere decir que, en presencia de este
campo, los momentos magnéticos de todas las estructuras
se alinean con éste. El ciclo de histéresis de estos elementos presenta una constricción en la parte central, típica de
la formación de un estado vórtice (ver la introducción).
Por lo tanto, al ser la remanencia prácticamente nula,
no es posible almacenar información magnética en estas
estructuras. Por ello se tendría que utilizar membranas
de alúmina con tamaño medio de poro más pequeño para
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que la inversión de imantación tuviera lugar por rotación
coherente de estados monodominio.
Una alternativa más laboriosa, es la de recubrir las láminas de FeAl con PMMA y realizar una litografía por haz
de electrones de esta capa de resina [4,13]. Así se puede
controlar tanto la geometría como el tamaño de las estructuras resultantes y sus propiedades magnéticas. La figura 10
muestra algunos ejemplos de estructuras magnéticas fabricadas por irradiación con haz de iones de Xe+ (a 45 keV)
realizadas utilizando una máscara de PMMA de 90 nanómetros de espesor, previamente litografiada con un haz de
electrones. Tal y como se puede ver en las imágenes, esta
técnica permite fabricar elementos con formas variadas,
por ejemplo círculos, cuadrados o elipses. Como en los
casos anteriores, la litografía es puramente magnética y
confinada a las regiones donde los iones han interaccionado
con el material. Aunque se puedan obtener varias entidades
ferromagnéticas con una única irradiación, este método en
última instancia no deja der ser un proceso en serie ya que
el diseño de la máscara se realiza estructura por estructura.
El ferromagnetismo generado puede ser completamente
borrado mediante un recocido posterior (a T > 800 K [9,11]),
permitiendo reutilizar las láminas tantas veces como se quiera.
De esta manera se pueden fabricar estructuras con otras geometrías y propiedades magnéticas diferentes utilizando una única
lámina. Este grado de reversibilidad supera al de los medios
magnéticos litografiados convencionales, que se pueden litografiar una sola vez y las propiedades magnéticas quedan, por ello,
unívocamente determinadas de manera permanente.
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Cuando el desorden genera magnetismo
3. Conclusiones
En este artículo hemos presentado nuestros estudios
recientes sobre métodos de litografía magnética no convencional para generar estructuras de dimensiones sub- micrométricas (en algunos casos sub-100 nanómetros), con algunas propiedades idóneas para el almacenamiento de datos de
alta densidad y, en algunos casos, sin que se produzca una
marca física en la superficie del material. Con ello se minimizan algunos de los problemas de tribología que presentan
los medios magnéticos litografiados convencionales.
Además, hemos mostrado que los métodos de litografía
convencionales también se pueden utilizar para desarrollar
medios magnéticos, a partir de procesos de irradiación a través de máscaras con propiedades específicas y controladas,
que abren las puertas a nuevos esquemas para implementar
memorias magnéticas más eficaces.
Agradecimientos
Agradecemos a S.C. Deevi y K. V. Rao por proporcionarnos las láminas de Fe60Al40 y a J. Fassbender, M.O. Liedke, A.
Weber, L.J. Heyderman, T. Gemming, T. Strache y W. Möller
por su ayuda en distintos aspectos experimentales. Asimismo,
los autores agradecen el apoyo económico obtenido en
los siguientes proyectos de investigación: 2009-SGR-1292
PNL2006-019, MAT-2007-61.629, MAT-2007-66302-C01,
MAT- 2007-66302-C02 y MAT-2010-20616-C02. Este trabajo ha sido parcialmente financiado por la Unión Europea
(Research Infrastructures Transnational Access program;
Center for Application of Ion Beams in Materials Research
under Contract No. 025646). E.M. agradece el Fund for
Scientific Research - Flanders (FWO) por el apoyo económico. Parte de este trabajo fue realizado en la ICTS “Sala
Blanca integrada de micro y nano-fabricación” del IMBCNM (CSIC), financiada por el programa GICSERV-5 (proyecto NGG-106) del MICINN. M.D.B. agradece la financiación obtenida mediante una distinción ICREA-Academia.
Referencias
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E. Menéndez,
Instituut voor Kern- en Stralingsfysica and INPAC, Katholieke
Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200 D, B-3001 Leuven, Belgium.
[email protected]
J. Sort,
Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) and
Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona,
08193 Bellaterra, Spain
A. Varea, A. Concustell, S. Suriñach, M.D. Baró
Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona,
08193 Bellaterra, Spain
J. Montserrat, E., Lora-Tamayo,
Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM), CSIC,
Campus Universitat Autònoma Barcelona, E-08193, Bellaterra, Spain
J. Nogués
Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) and
CIN2 (ICN-CSIC), Universitat Autònoma de Barcelona, Catalan
Institute of Nanotechnology, Campus de la UAB, 08193 Bellaterra
(Barcelona), Spain
http://www.rsef.org
REF, Vol. 26-1, Enero-Marzo 2012