La polarizzazione di scambio in un film a strato singolo viene creata utilizzando l'impianto ionico

Ricercatori negli Stati Uniti e in Svizzera hanno sviluppato un nuovo metodo per creare e controllare la polarizzazione di scambio in un film a strato singolo antiferromagnetico. Il metodo prevede l'impianto di ioni a bassa energia nel film e ha il potenziale per far progredire lo sviluppo di dispositivi spintronici antiferromagnetici.

La polarizzazione di scambio si riferisce a uno spostamento nella posizione del ciclo di isteresi di un ferromagnete lungo l'asse orizzontale (campo magnetico applicato). Ciò può verificarsi quando uno strato antiferromagnete e uno strato ferromagnetico vengono avvicinati, bloccando la magnetizzazione di uno strato ferromagnetico. I materiali di polarizzazione dello scambio svolgono un ruolo importante nelle tecnologie spintroniche come i sensori della testina di lettura nelle unità disco rigido; valvole di rotazione; e le giunzioni tunnel magnetiche utilizzate nelle memorie digitali.

La generazione di un forte campo di polarizzazione di scambio tra un ferromagnete e un antiferromagnete richiede un'interfaccia di buona qualità tra i due materiali. Tuttavia, raggiungere questo obiettivo nei film sottili può essere impegnativo. Inoltre, per ottenere la polarizzazione di scambio, il sistema deve essere riscaldato al di sopra della temperatura di Neel dell'antiferromagnete e quindi raffreddato in presenza di un campo magnetico. Questo trattamento termico può causare diffusione tra i due strati, il che riduce significativamente la polarizzazione di scambio. Per evitare ciò, le barriere di diffusione sono generalmente incorporate nella struttura della pila. Tuttavia, ciò aumenta la complessità e lo spessore del dispositivo, rendendolo inadatto alla miniaturizzazione di dispositivi spintronici.

Materiale per il futuro

Adesso, Cory Cress  ed Steven Bennet alla Laboratorio di ricerca navale degli Stati Uniti, e ricercatori lì e al Istituto Paul ScherrerE e Oak Ridge National Laboratory hanno utilizzato l'impianto di ioni a bassa energia per creare un'apprezzabile polarizzazione di scambio nel materiale antiferromagnetico ferro-rodio (FeRh). E lo hanno fatto senza la necessità di uno strato ferromagnetico.

L'impianto ionico è una tecnica comune nella scienza e nell'ingegneria dei materiali e viene utilizzata per modificare le proprietà di un materiale introducendo ioni nella sua superficie o massa. Il processo prevede la creazione di un raggio di ioni che viene quindi diretto su un materiale target.

Nei loro esperimenti, il team ha prima depositato un film di FeRh monocristallino su un substrato di ossido di magnesio (vedi figura sotto). Il campione è stato quindi riscaldato a 730 °C e raffreddato in un processo chiamato ricottura. Ciò ha inserito il film di FeRh in una struttura cristallina di tipo cubico a facce centrate. Questa fase mostra una transizione metamagnetica ad alta velocità da uno stato antiferromagnetico a uno stato ferromagnetico quando la temperatura supera circa 400 K. Inoltre, il film FeRh possiede un momento magnetico commutabile che può cambiare rapidamente direzione, rendendolo promettente per varie applicazioni spintroniche.

Prendendo spunto dal loro precedente studio Per regolare una temperatura di transizione metamagnetica in FeRh attraverso l'impianto di ioni, il team ha impiantato ioni di elio o ferro a bassa energia in pellicole di FeRh a temperatura ambiente. Ciò ha creato strati superficiali ferromagnetici adiacenti allo strato antiferromagnete. Ciò ha creato un effetto di polarizzazione dello scambio relativamente grande di 41 Oe per il film impiantato con ferro e 36 Oe per il film impiantato con elio.

Secondo i ricercatori, questi risultati sono promettenti perché gli effetti di bias di scambio precedentemente osservati nel FeRh sono stati tipicamente molto bassi o osservati solo al di sotto della temperatura ambiente. Di conseguenza, il team ritiene che la creazione di bias di scambio mediante l'impianto in FeRh potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi antiferromagnetici avanzati.

L'origine del bias di scambio è rimasta un enigma di lunga data sin dalla sua scoperta, nonostante lo sviluppo di vari modelli che cercano di spiegarlo. In questo studio, Cress, Bennett e colleghi miravano a gettare ulteriore luce sull'origine di questo fenomeno sottoponendo film di FeRh impiantati con ioni a un'ora di ricottura a 400 ^°C o 700 ^°C. Dopo il processo di ricottura, il team ha notato una sostanziale diminuzione del campo di bias di scambio di entrambi i film impiantati. Ciò è stato attribuito alla guarigione dei difetti formati durante l'impianto e al ripristino dello stato antiferromagnetico del film vicino alla superficie.

I difetti sono responsabili

Usando la ricottura per riguadagnare le proprietà incontaminate del film impiantato con elio, i ricercatori hanno trovato prove convincenti che qualsiasi bias di scambio presente nel film è dovuto ai difetti causati dall'impianto ionico e non a qualsiasi cambiamento nella composizione di FeRh dovuto all'aggiunta di ioni di ferro. Inoltre, il team ha utilizzato un modello di stato del dominio per spiegare questi risultati, proponendo che i difetti non magnetici all'interno dello strato antiferromagnetico svolgano un ruolo cruciale nella formazione e stabilizzazione del campo di polarizzazione di scambio.

Per ottenere ulteriori informazioni sulla distorsione di scambio dei film di FeRh, il team ha utilizzato la riflettometria a neutroni polarizzati. Questa tecnica misura la magnetizzazione in funzione della profondità dirigendo i neutroni polarizzati sulla superficie del film e misurando l'intensità dei neutroni riflessi.

Usando questa tecnica, i ricercatori hanno osservato i momenti magnetici non compensati fissati all'interno della regione antiferromagnetica del film. Hanno scoperto che questi momenti non compensati derivano da difetti, come i posti vacanti creati dall'impianto ionico. Quando accoppiati con uno strato ferromagnetico adiacente, i posti vacanti provocano il fenomeno della polarizzazione di scambio. Secondo i ricercatori, questi risultati forniscono una prova convincente del modello di stato del dominio del bias di scambio.

I risultati del team sono riportati nel Giornale di chimica dei materiali C potrebbe potenzialmente portare all'applicazione del modello di stato del dominio in diversi sistemi di spin magnetici.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/exchange-bias-in-a-single-layer-film-is-created-using-ion-implantation/