Fabrication and magnetic characterization of ferromagnetic antidot arrays thin films

Abstract

Este trabajo presenta un estudio sobre las propiedades magnéticas de las matrices de nanohuecos o “antidots” ordenadas hexagonalmente a nano escala en películas delgadas magnéticamente blandas (Ferromagnéticas, FM = Fe, Co, Ni y Ferrimagnéticas, FIM = Dy-Fe). Los arreglos de antidots se fabrican depositando los materiales magnéticos sobre membranas de alúmina nanoporosa con diferentes diámetros de poros que varían en el rango entre 32 ± 2 a 93 ± 1 nm. Por lo tanto, varios conjuntos de matrices FM-antidots se han fabricado con diferentes diámetros de antidots, d, pero distancia fija entre nanohuecos, Dint y espesor de capa, t, lo que reduce la separación de borde a borde entre los antidots adyacentes, (W = Dint - d). La caracterización magnética se logra mediante métodos integrales como la magnetometría de muestra vibrante (VSM) y del efecto Kerr magnetoóptico (MOKE), así como los métodos de magnetometría microscópica, como la microscopía de fuerza magnética (MFM). Todos los métodos experimentales están respaldados por simulaciones micromagnéticas realizadas con el código mumax3. La presencia de antidots conduce generalmente a un efecto de endurecimiento magnético con mejoras de los campos coercitivos, por lo general, de hasta dos órdenes de magnitud. Se observa un cambio notable en la dependencia de los campos coercitivos con el tamaño de hueco, d, y la distancia entre bodes de nanohuecos, W, encontrándose un tamaño crítico para la distancia al borde, Wc, al que se invierte el comportamiento del campo coercitivo. La disminución de la coercitividad en el plano para las muestras de FM-antidots con W ˂ Wc da lugar a un aumento de la contribución del componente magnética fuera del plano con el aumento del tamaño del antidot. El cambio en el tamaño del nanohueco de las muestras de antidots se refleja en la imanación remanente, como así lo revela la simulación micromagnética. Dependiendo de los parámetros d y W, se pueden identificar tres patrones de dominio distintos. El patrón de dominio para muestras con un diámetro de nanohueco pequeño (W > 50 nm) donde se reproduce la estructura pelicular bien conocida, con una fuerte anisotropía magnética en el plano de la muestra. Para muestras de antidots con W ≈ Wc, la estructura del dominio magnético presenta paredes de superdominio de alta energía, los HE-SDW, y los ciclos de histéresis muestran un comportamiento magnético de múltiples pasos y un campo coercitivo máximo en la dirección del plano de la muestra. Finalmente, la estructura del dominio magnético que surge en las muestras de antidots con un diámetro de nanohueco grande, donde W ˂ Wc, dominan los procesos por rotación de la imanación, que se asemeja al estado de orden magnético de spin-ice en hielo artificialmente frustrado geométricamente, aumentando la anisotropía magnética fuera de plano. Además, la anisotropía magnética presenta un cruce inesperado desde la dirección en el plano de la muestra a la posición de fuera del plano, debido al aumento de la densidad de energía efectiva de la anisotropía magnética perpendicular con el tamaño del nanohueco, para las distintas muestras de antidots. Cabe destacar los elevados valores de la densidad de energía de la anisotropía magnética perpendicular efectiva, Keff x t, para aleaciones de antidots de Dy-Fe con espesores, t = 30 nm, (3.8 erg / cm2) y (1.44 erg / cm2) para matrices de antidots de Ni con t = 20 nm, que se han obtenido en este trabajo. Además, se ha encontrado que la distribución de los elementos de las aleaciones Dy-Fe alrededor y entre los nanohuecos de las muestras de antidots, la compleja inversión de la imanación y la alta estabilidad térmica de la estructura hexagonal de los conjuntos de antidots, permiten sintonizar tanto la temperatura de Curie como el punto de compensación de la aleación ferrimagnética a valores cercanos a temperatura ambiente para las muestras de antidots de aleaciones Dy-Fe. Estas observaciones pueden ser de enorme interés para el desarrollo de nuevos sensores magnéticos y avalan el comportamiento de las películas magnéticas de antidots como excelentes candidatas para diseño de medios de grabación magneto-óptica perpendicular y dispositivos para spintrónica basados en técnicas de deposición asistida mediante plantillas nanoestructuradas. RESUMEN (en Inglés) This work presents a study about the magnetic properties of nanoscaled, hexagonally ordered antidot arrays within magnetically soft thin films (Ferromagnetic, FM= Fe, Co, Ni and Ferrimagnetic, FIM=Dy-Fe alloy). The antidot arrays are fabricated by depositing the magnetic materials onto nanoporous alumina membranes with different pore diameters varying in the range between 32±2 to 93±1 nm. Therefore, several sets of FM- antidot arrays thin films have been fabricated with different hole diameter, d, but fixed inter-hole distance, Dint, and layer thickness, t, therefore reducing the edge-to-edge separation between adjacent antidots, (W= Dint – d). Magnetic characterization is achieved by integral methods such as vibrating sample magnetometry (VSM) and magneto-optical Kerr effect (MOKE) measurements, as well as microscopic magnetometry methods, such as magnetic force microscopy (MFM). All experimental methods are supported by micromagnetic simulations performed with mumax3 code. The presence of the antidots generally leads to a magnetic hardening effect with enhancements of the coercive fields by typically two orders of magnitude. A dramatic change in the coercive fields dependence with W and d have been found at a critical edge to edge distance, , which the coercive fields behaviour with W is reversed. The decreasing of the in-plane coercivity for FM-antidot samples with W ˂ gives rise to an increase of the out-of-plane magnetic component contribution with the antidot hole size increasing. Changing in nanohole size of the antidot samples reflects in the remanent magnetization, as revealed by micromagnetic simulation. Dependent on the d and W, three distinct domain patterns can be identified. The domain pattern for samples with small hole diameter where (W > 50 nm) show the well-known leaf structure with a strong in-plane magnetic anisotropy of the magnetization reversal. For antidot samples with W ≈ the magnetic domain structure shows high-energy super domain walls, HE-SDWs, and hysteresis loops show a multi-steps magnetic behaviour and maximum in-plane coercive field. Finally, the magnetic domain structure arising in antidot arrays with large hole diameter where (W ˂ resembles the spin ordered state in geometrically frustrated artificial spin-ice and increase the out-of-plane magnetic anisotropy of the magnetization reversal. In addition, the magnetic anisotropy exhibits an unexpected crossover from the in-plane to out-of-plane direction due to the increasing of the effective perpendicular magnetic anisotropy energy density with the hole size of antidot arrays. It is worth to mention large values of effective perpendicular magnetic anisotropy energy density, Keff × t, for Dy-Fe antidot alloys with t = 30 nm (3.8 erg/cm2) and (1.44 erg/cm2) for Ni antidot arrays with t = 20 nm that have been obtained in this work. Furthermore, the unique elements distribution of Dy-Fe alloys around and between the holes of antidot samples, the complex magnetization reversal and the high thermal stability of the hexagonal structure of antidot arrays enable us to tailor the Curie temperature and the room temperature compensation point of Dy-Fe antidot alloys. These observations can be of high interest for the development of novel magnetic sensors and represent an excellent candidate for magneto-optic perpendicular recording patterned media and spintronic devices based on template-assisted deposition techniques.