Seminário apresentado pelo dr. Leandro Socolovsky (UBA, Argentina) na seção UCS do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies no dia 30-09-11 para cerca de 20 estudantes e professores do Centro de Ciências Exatas e Tecnologia da UCS. O seminário abordou as estruturas magnéticas de tamanho nanométrico, as quais apresentam fenômenos muito particulares. O foco do seminário foram as propriedades de magneto-transporte, tais como a magneto-resistência gigante, a magneto-resistência de tunelamento, e o efeito Hall gigante. Foram explicados os fundamentos desses fenômenos, a atualidade e as aplicações em dispositivos de novo tipo. Público-alvo: alunos com conhecimentos de teoria quântica e ciência de materiais.

1. Nanotecnología de
dispositivos spintrônicos:
presente e futuro
Dr. Leandro M. Socolovsky
Laboratorio de Sólidos Amorfos,
INTECIN
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires

2. Nanociencia – Nanotecnología
• O qué é nano
• Resistência elétrica e magnetoresistências de
origem nano:
– GMR
– TMR
– GHE
• Dispositivos espintrônicos
• Fenómenos novos

3. O qué é nano

4. Partículas magnéticas
nanométricas
Reducción de tamaño → monodominio magnético
⃗
μ
ϑ nm

5. Partículas magnéticas nanométricas
P. Bean and J.D. Livingston, J. Appl. Phys. 30, 120 (1959)
• Íons da NP → supermomento, rotação coerente
∀ µ =µ at N ,
– µ at : momento magnético atômico
– N : número de átomos magnéticos da nanopartícula
⃗
μ
ϑ nm

6. Multicamadas
• “Sandwichs” M/NM/M

7. Resistência e resistividade
ρ : propriedade intensiva
ρA
R=
l
material de área transversal A, comprimento l
[ μ−cm ]

8. Duas magnitudes
Caminho libre médio Λ
Comprimento de coerência lsf

9. Resistividade(s)
ρT =ρ 0 +ρ imp +ρ fon +ρ mag
ρ0 : resistividade intrínseca
ρimp : impurezas
ρfon : fónons
ρmag : magnética

10. Magnetoresistencias
• Ordinária
• Anisotrópica
• Colossal
• Gigante e Túnel, GHE

11. Nanostructura e propriedades
“gigantes” de magnetotransporte
• Magnetoresistência gigante
• Magnetoresistência de tunelamento
• Efeito Hall gigante
• Magnetoimpedância gigante

12. Magnetoresistência ordinária
ou
OMR
F = qE + v x B

13. Magnetoresistência anisotrópica
ou
AMR

14. Magnetoresistências
• Colossal

15. Magnetoresistência gigante

18. Magnetoresistência Gigante em sistemas
multicamadas : geometría básica
configuração AP configuração P
e- e-
M M M M
Camada metálica não magnética
Camada ferromagnética
R max − R mín
Razão MR = . 100
R max

19. Orígem da resistividade
Modelo de Mott
Campbell e Fert
– Elétrons 3d e 4s
– Eventos spin-flip esparsos
– Movilidade dos elétrons s

20. Mott – Fert e Campbell
1) scattering elétrons “↑” y “↓” diferentes
2) eventos de scattering não alteram
orientação spin

21. • duas bandas: spin up e spin down
cortocircuíto para e↓
e↓
ρ ρ
e↓
ρ ρ
ρ ρ
e↑
Sem campo ρ ρ
e↑
R (0) > R (H)
Com campo

22. Duas geometrías
CIP : Current In Plane Λ
CPP : Current Perpendicular to Plane lsf

23. Dois orígens
Intrínseca
Extrínseca

24. Paisagem de potencial

25. Granulares
Nanopartículas
magnéticas em
una matriz
NP Fe
NP de Co, matriz de SiO2
NP de Mn-As-
Ga, matriz de
AsGa
NP de Co, matriz de CoO NP de Fe-Cu

26. Magnetoresistência gigante em
sistemas granulares
0,0
-0,5
-1,0
∆ρ/ρ [%]
-1,5
Fe20Cu80
-2,0
-2,5
-3,0
-1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5
Campo aplicado [T]
Δρ [ ρ( H ) − ρ( 0 ) ]
= 100 [ ]
ρ ρ( 0 )

27. GMR em sistemas granulares...

28. Magnetoresistência gigante
em sistemas granulares
• Nanopartículas em
distancias da ordem
do comprimento de
correlação Λ
e-↑ Λ
µ

29. Magnetoresistência gigante
em sistemas granulares
e-↑ Λ
µ µ

30. GMR em sistemas granulares...
• GMR muda com a concentração de
soluto magnético
2,5 77 K
2,0
1,5
∆ρ/ρ [%]
1,0
0,5
0,0
0 10 20 30 40 50
Concentración [% at. Fe]
FexCu100-x
Aumenta hasta alcanzar la percolación magnética

31. GMR muda com os elementos...
• Diferências nas bandas eletrónicas entre
matriz e a NP
• Diferentes elementos : potenciais
diferentes

32. Magnetoresistência de
tunelamento
• Separador ou matriz isolante
• Condução por tunelamento entre camadas
ou NP magnéticas

33. Magnetoresistência de tunelamento em
sistemas multicamadas : geometría básica
configuração AP configuração P
e- e-
M M M M
Camada isolante
Eletrodos ferromagnéticos
R max − R mín
Razão MR = . 100
R max

34. Magnetoresistência de tunelamento
• Tunelamento dependente do
spin (SDT)

35. TMR – Modelo de Julliére
Junção plana Fe/Ge/Co
Tunelamento a través da junção

36. TMR – Modelo de Julliére
2P1 P 2
TMR =
1− P 1 P 2

37. TMR – Resultados da literatura
Os valores de TMR registrados até
meados dos ‘90 eram modestos
Após o trabalho de Miyasaki e
Tezuka, foi fabricada a primeira
estrutura com efeito importante a RT
MTJ de CoFe/Al2O3/Co
Miyazaki, Tezuka; JMMM 139 ‘95 Moodera et al., PRL 74 (1995) 3273

38. TMR – Resultados na literatura
Efeitos de 10-20 % a RT: anos ´90
Wang et al : 70% (IEEE ´04)
Parkin et al: 220% em sandwichs com espaçador
de MgO (Nature Materials ´04)

39. Magnetic Tunnel Junctions
• Multicamadas
• Espaçador:
– Mg-O
– Al-Ox
• Produzidos
por sputtering
RT

40. TMR em sistemas granulares

41. TMR – Resultados na literatura
Poddar e Markovich: NP de magnetita (5,5 nm) recobertas
com ácido oleico
Efeito de ~125%
Poddar et al, PRB 65 (2002) 172405

42. Sistemas baseados en magnetita
NP @ poliestireno, 22.6 % MR @ 14 T
(RT)
MgO/Fe3O4 nanofios:
Wang et al, PRB 73 (2006) 134412
1.2 % @ 1.8T (RT)
Zhang et al, NanoLetters 4 (2004) 2151

43. Aplicações
HD (Seagate, 2005)
sensores

44. Efeito Hall gigante

45. Efeito Hall

46. Efeito Hall em materiais
magnéticos
ρxy = ρxyo + ρxye
ρxyo = Ro H Ordinario
ρxye = Rs 4π M Extraordinario
Ordinario
Extraordinario :
C. M. Hurd, The Hall effect in metals and alloys (Plenum Press, New York, 1972)

47. Orígens da resistividade
extraordinaria
• Dispersão asimétrica (Skew scattering,
Karplus&Luttinger 1954 – Smit 1951):
ρ xye α ρ xx
• Salto lateral (side jump, Berger 1970):
2
ρ xye α ρ xx

48. GHE e concentração de elemento
magnético
60
100
Fe
Cox-(SiO2)1-x (TEM)
Co 50 Cox-(SiO2)1-x (XRD)
Ni Nix-(SiO2)1-x (TE M)
ρ xy( µ Ω cm)
Nix-(SiO2)1-x (XRD)
40
<D> [nm]
10
Fex-(SiO2)1-x (XRD)
30
1
20
0.1
10
0
0.5 0. 6 0.7 0.8 0.9 1. 0 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
x [vol.] x [vol.]
GHE decreciente Tamaño de la nanopartícula

49. Medidas de efeito Hall
10 2
ρ xy [ µ Ω -cm]
1
10
400 ºC
350 ºC
300 ºC
0 250 ºC
10 200 ºC
As-pr epared
0 1 2
Applied Field [T]
Co52 -(SiO2)48 , medido a RT

50. Magnetotransporte em sistemas
nanoestruturados
-Spin Dependent Transport:
Tanques de Spin
e objetos
nanométricos

51. Spintrónica
• Control de spin
• Transistor Data & Das
• Semiconductores magnéticos diluídos
(DMS)
• Nanopartículas de óxidos de hierro y “half
metals”

52. Dispositivos spintrônicos

53. Interfase FM-Metal Normal
●
Fenómeno de
injeção de spin
●
Pequenas
espessuras
(~nm)

54. VÁLVULAS DE SPiN
LATERAiS
vS+
vS-
⃗q= d (q ⃗ )=q ⃗
j ˙
r v˙
dt
⃗ s= d (⃗ ⃗ )=⃗ ⃗ + ⃗ ⃗
j r v ˙r
dt

55. Biosensores Magnetorresistivos
●
Advances in Giant Magnetoresistance Biosensors With
Magnetic Nanoparticle Tags: Review and Outlook (Shan
X. Wang and Guanxiong Li)
●
IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 44, NO. 7,
JULY 2008

56. Trazas: nanopartículas
funcionalizadas
M = M S Ctgh −1/ ,=m S H / kT 
Superparamagnetismo

57. Idea básica do biosensor

58. Implementação
Array 8x8 SV-GMR de
1.5 m x 110 m

60. Integrantes
Dr. Ricardo Martínez García
Dr. Vitaliy Bilovol
MSc. Oscar Moscoso Londoño
MSc. Marcus Carrião dos Santos
Ing. Diana Pardo Saavedra

61. Colaborações
• Unicamp, LNLS; Universidade Federal de Goiás (Brasil)
• Universidad de Santiago de Chile
• Universidad de Kyoto, Japón
• Centro Atómico Bariloche, CONEA; Departamento de Física, Universidad Nacional
de La Plata; INTI Migueletes- Argentina
• CONICET, MinCyT, Agencia
Agradecimientos • Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) - LME