L10-Ordered Systems and Exchange-Spring Magnets with Perpendicular Anisotropy

L’attività svolta durante il periodo di Dottorato riguarda la crescita e caratterizzazione di (i) film sottili e ultra-sottili costituiti da materiali caratterizzati da una fase ordinata L10 e (ii) magneti “exchange spring” che mostrano una forte anisotropia perpendicolare al piano del film. I sistemi studiati sono le leghe FePt e FePd che cresciute ad elevate temperature e intorno alla composizione equiatomica subiscono una trasformazione strutturale che induce un reticolo tetragonale e una forte anisotropia magnetocristallina uniassiale lungo l’asse di contrazione (asse c). Questi composti sono candidati ideali per lo sviluppo di magneti exchange-spring con anisotropia perpendicolare al piano del film. Film sottili di FePt sono stati cresciuti sia mediante sputtering a rf che mediante evaporazione con cannoni elettronici in ultra-alto vuoto. Lo sputtering a rf favorisce lo svilupparsi di alti campi coercitivi promuovendo un’alta densità di difetti nel film. Al contrario la tecnica dell’evaporazione permette di ottenere film hard con una forte anisotropia perpendicolare favorendo una miglior crescita epitassiale e un alto grado di ordine chimico. La durezza magnetica migliora crescendo i film su un underlayer di Pt. Quest’ultimo favorisce sia una migliore crescita epitassiale, riducendo il mismatch reticolare tra film e substrato, che un aumento dei difetti presenti nel film promuovendo alti valori del campo coercitivo. Sono stati inoltre studiati gli effetti di trattamenti termici effettuati durante o dopo la crescita dei campioni. Rispetto a trattamenti di post-annealing, la crescita ad alta temperatura si è dimostrata più efficace sia al fine di una buona trasformazione di fase che di una buona crescita epitassiale. Nel caso di film ultra-sottili di FePd, l’aumento della temperatura di crescita induce un miglioramento delle proprietà magnetiche con un forte aumento dell’anisotropia perpendicolare. Sorprendentemente, i film ottenuti non mostrano cicli d’isteresi con forme transcritiche come generalmente riportato in letteratura. Questo indica che la tecnica dell’evaporazione con cannoni elettronici e i parametri di crescita fissati durante la deposizione permettono di ottenere film con una forte anisotropia sufficiente a superare gli effetti dovuti a campi smagnetizzanti presenti lungo la perpendicolare al piano del film. Di particolare interesse è il fatto che crescendo i film a 700°C si possono ottenere valori del coercitivo molto alti (> 10 kOe). Queste proprietà rendono i campioni di FePd ben confrontabili con quelli di FePt. Una spiegazione per queste proprietà magnetiche estremamente hard può essere la formazione di una morfologia costituita da grani nanometrici dovuta alla tecnica di crescita adottata. Il lavoro di dottorato ha inoltre riguardato lo studio di magneti exchange spring del tipo FePt/Fe cresciuti nella forma di bistrati e tristrati. Nel caso dei bistrati FePt/Fe, sono state utilizzate due diverse tecniche di crescita lo sputtering a rf per la crescita della fase hard e l’evaporazione con cannoni elettronici per la crescita della fase soft. L’utilizzo di due tecniche di crescita è un approccio estremamente innovativo per lo sviluppo di sistemi exchange spring fortemente accoppiati che mostrano un comportamento a singola fase magnetica sia nel caso della presenza di forti campi smagnetizzanti che nel caso di alti rapporti tra gli spessori della fase soft e hard. Su questi campioni la spettroscopia Mössbauer è stata usata per lo studio dei fenomeni d’interfaccia hard/soft e del loro legame con l’instaurarsi di forti interazioni di scambio tra le diverse fasi magnetiche. Questa sembra instaurarsi grazie alla formazione di una regione d’interfaccia molto sottile costituita da Fe ed un composto FePt ricco in Fe entrambi nella forma di piccole particelle superparamagnetiche. Nel caso di tristrati FePt/Fe/FePt cresciuti mediante evaporazione con cannoni elettronici, variando lo spessore dello strato di FePt più esterno da 1.2 a 4.8 nm è possibile variare il meccanismo che controlla la coercitività dei campioni. Per i tristrati più sottili, i difetti agiscono come punti di pinning al movimento delle pareti in questo modo favorendo la durezza magnetica, al contrario nei tristrati più spessi i difetti diventano punti in cui si enucleano domini rovesciati, in questo modo favorendo il rovesciamento della magnetizzazione.