Interacciones magnéticas en sistemas tierra rara-metal de transición y su estudio mediante técnicas de radiación sincrotrón

Abstract

En esta tesis se emplean, de manera intensiva, técnicas de caracterización experimental basadas en radiación sincrotrón para explorar las interacciones magnéticas de diferentes sistemas compuestos por elementos del grupo de las tierras raras y metales de transición (TR-MT), como son las aleaciones amorfas Gd-Co, Nd-Co, Dy-Co e Y-Co, conformadas como lámina continua, nanoestructuradas en forma de multicapa, o nanoestructuradas en diferentes geometrías mediante litografía por haz de electrones. Los sistemas TR-MT, de gran interés en el sector del almacenamiento y transmisión magnéticos de información, se caracterizan por poder presentar propiedades magnéticas como son una elevada anisotropía magnetocristalina perpendicular, una razonablemente intensa imanación, una alta temperatura de Curie, y la presencia de diferentes configuraciones entre los momentos magnéticos de la TR y el MT como consecuencia de la competición entre el canje y el campo cristalino aleatorio. Esta competición da lugar a configuraciones ferrimagnéticas y esperimagnéticas, dependiendo del momento orbital de la TR y de su acoplamiento (ferromagnético o antiferromagnético) con el MT. El balance energético entre la anisotropía magnética, el canje, la energía magnetostática y la energía Zeeman, cuando estas láminas delgadas son sometidas a un campo magnético externo, es estudiado a lo largo de los capítulos de esta tesis con el análisis de diferentes sistemas experimentales. Para ello, se han empleado numerosas técnicas de magnetometría y caracterización magnética convencionales, como la magnetometría por muestra vibrante (VSM), magnetometría de gradiente de campo alterno (AGM), magnetometría por dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID), efecto Kerr magneto-óptico, o la técnica de microscopía de fuerza magnética (MFM). Sin embargo, esta primera caracterización es completada con el uso de técnicas avanzadas de radiación sincrotrón, logrando obtener una mayor información acerca de los sistemas TR-MT, imposible de extraer con los anteriores métodos. Así, las técnicas sincrotrón, como son la dispersión magnética resonante (XRMS), el dicroísmo magnético circular (XMCD), y la microscopía de transmisión de rayos x (TXM), cobran gran importancia dentro de esta tesis, al presentar el potencial y capacidades de estas técnicas y ofrecer una descripción de su empleo y modo de análisis. De este modo, la tesis se compone de cuatro capítulos experimentales principales. El primero, tiene por objeto el estudio de multicapas compuestas por aleaciones de Gd-Co. La técnica de dispersión magnética resonante sirve para caracterizar el perfil de imanación de estas muestras, siendo sensible a la magnitud y variación en la orientación de los momentos magnéticos en profundidad, y mostrando los efectos de muelle de canje presentes con la aplicación de campo y observados previamente mediante efecto Kerr magneto-óptico. A continuación, y siguiendo con el enfoque de resolución de momentos localizados, se lleva a cabo un estudio del magnetismo de muestras compuestas por una lámina continua de NdCo5 y bicapas NdCo5/Permalloy. Su estudio mediante microscopía de fuerza magnética y magnetometría de gradiente alterno es completado con la información angular de los momentos magnéticos de sus dominios de banda, cuya estimación solo es posible mediante microscopía de trasmisión de rayos x. Esta capacidad se muestra por primera vez en esta tesis. En el siguiente capítulo experimental, el patrón de bandas presente en el NdCo5 es truncado mediante la fabricación de microestructuras por litografía electrónica, explorando el uso de estos sistemas como circuitos magnéticos. En este marco, se han construido, además, estructuras tridimensionales en dos niveles mediante litografía electrónica, habiendo optimizado su proceso de fabricación y empleando en su caracterización técnicas como la microscopía de fuerza alterna o la microscopia por efecto Kerr. Por último, estas estructuras 3D, destinadas a su implementación como circuitos transmisores de información magnética, han mostrado su capacidad como elementos discriminadores de la propagación de los dominios magnéticos en microhilos según el signo del campo aplicado. Finalmente, en el último capítulo, se comienza el estudio de láminas continuas y multicapas de aleaciones amorfas de DyCo5, YCo5 y GdCo5, tanto por magnetometría por muestra vibrante y SQUID como por dicroísmo magnético circular, y se discuten las diferencias comparativas en su magnetismo debidas a la distinta tierra rara empleada además de a su distinta estructuración.