Spontaneous exchange bias formation driven by a structural phase transition in the antiferromagnetic material

Abstract

Un gran número de dispositivos magnéticos en la electrónica moderna se basan en el exchange bias, una interacción magnética que acopla un material ferromagnético y uno antiferromagnético, dando origen a un desplazamiento unidireccional del ciclo de histéresis ferromagnético en una cantidad llamada exchange bias field. Establecer y optimizar el exchange bias implica un tratamiento térmico en presencia de un campo magnético externo, que permite controlar el grado de orden magnético en el material antiferromagnético. En esta tesis, demostramos un proceso alternativo para la generación del exchange bias. Nuestro estudio se centra en uno de los sistemas más comunes para aplicaciones tecnológicas basado en el exchange bias, el FeCo ferromagnético acoplado al IrMn antiferromagnético en forma de películas delgadas depositada por magnetrón sputtering. Hemos encontrado las condiciones de deposición que dejan la capa IrMn en una fase amorfa/nanocristalina metaestable. El estado desordenado del IrMn previene el establecimiento del exchange bias en la capa de FeCo adyacente, la cual muestra un ciclo de histéresis centrado y con baja coercitividad típico de las películas delgadas ferromagnéticas blandas. Durante los días sucesivos a la deposición, una transición de fase estructural se desarrolla espontáneamente a temperatura ambiente en la capa de IrMn y se expande siguiendo un proceso de nucleación y crecimiento bidimensional. A medida que la transición de fase se propaga, el exchange bias se forma progresivamente en el FeCo según la dirección de su imanación remanente. La caracterización estructural de las bicapas de IrMn/FeCo revela que el IrMn, inicialmente amorfo/nanocristalino, experimenta una cristalización espontánea que conduce a una fase químicamente desordenada de tipo γ, altamente cristalina. Una vez completada la transición de fase, la capa de IrMn contiene granos cristalinos muy grandes, del orden de unos cientos de nanómetros, con una gran densidad de defectos estructurales que se extienden a través de su espesor. Las imágenes tomadas por microscopía electrónica de transmisión indican que el origen de estos defectos puede residir en la naturaleza policristalina de la capa de FeCo adyacente. La caracterización magnética de las muestras cristalizadas revela un exchange bias moderadamente fuerte con buena estabilidad a temperatura ambiente. Las medidas muestran también unas respuestas magnéticas y térmicas inesperadas que no se pueden explicar con el modelo granular del exchange bias, generalmente utilizado para materiales policristalinos. Con el fin de justificar como cambian las propiedades de las muestras cristalizadas durante el recocido a varias temperaturas, analizamos los resultados a la luz de un modelo de fuerte fijación de paredes antiferromagnética, que indica que los defectos estructurales en la capa de IrMn juegan un papel importante tanto en la estabilidad como en la resistencia del exchange bias. Además, proponemos un posible mecanismo para el establecimiento inicial del exchange bias, lo que explicaría el aumento progresivo del exchange bias field durante su formación espontánea, a medida que la fase cristalina se propaga. Finalmente, abordamos la interesante posibilidad de controlar la dirección del exchange bias, simplemente cambiando la imanación de la capa de FeCo a medida que se propaga la transición de fase. Esto permite el modelado microscópico de la dirección del exchange bias, lo que generalmente no es posible a menos que la muestra se trate localmente con láser o radiación iónica. El estudio de este mecanismo para establecer y modelar el exchange bias en los sistemas de IrMn/FeCo puede contribuir a aclarar aspectos fundamentales de este fenómeno, así como a nuevos desarrollos en el campo de la espintrónica.