On the magnetic and structural properties of Co and Co-base nanowire arrays

Resumo

El conocimiento de los procesos de inversión de la imanación en sistemas de escala nanométrica es clave para el diseño de tecnologías avanzadas tales como medios de grabación magnética, espintrónica y dispositivos de detección y lectura de información. Los nanohilos magnéticos pueden tener importantes aplicaciones en los medios de comunicación avanzada de grabación en 3D, dispositivos lógicos y dispositivos MEMS (Sistemas-Micro-Electro-Mecánicos). Comúnmente los arreglos de nanohilos pueden ser preparados por diferentes técnicas de litografía. Sin embargo, la ruta alternativa electroquímica basada en auto ensamblajes de poros en substratos anodizados de alúmina, ha probado ser una herramienta poderosa y muy útil para la fabricación a bajo costo de arreglos ordenados de nanohilos con características magnéticas flexibles y optimizables. La síntesis en plantillas ha demostrado recientemente ser una importante aproximación electroquímica para la fabricación de materiales en la nanoescala y una alternativa frente a otros métodos sofisticados como la microlitografía. Las plantillas auto ensambladas con ordenamiento hexagonal de alúmina (AAO) han sido seleccionadas en este trabajo para fabricar nanohilos magnéticos, una ruta eficiente para diseñar materiales con diferentes propiedades físicas. Las plantillas de alúmina son obtenidas mediante procesos electroquímicos comunes que permiten controlar y diseñar la geometría del substrato (diámetro y longitud de poros e inter-separación entre poros). El presente trabajo trata del estudio magnético de arreglos de nanohilos de Co y con base en Co, crecidos en plantillas usando electrodeposición. Se ha hecho énfasis en el papel desempeñado por la estructura cristalina en las propiedades magnéticas de estos sistemas, y se consigue mostrar que dicha estructura cristalina depende de los parámetros particulares de fabricación y de la geometría de las plantillas. La modificación del pH en el electrolito de la electrodeposición de los nanohilos de Co, induce diferentes texturas de la fase cristalina hcp, lo que resulta en diferentes tipos de comportamiento magnético. Por otra parte, es posible modificar la anisotropía del sistema (sin cambiar significativamente el momento magnético de saturación) introduciendo elementos como el Ni y el Pd a través de una aleación con Co. Por otro lado, el cambio en las dimensiones de los nanohilos (como en su longitud y en su diámetro) conlleva nuevamente a cambios en la estructura cristalina. Particularmente, para nanohilos con longitudes muy reducidas (del orden de 100 nm) se encuentra que la fase cristalina fcc es la dominante y que, junto con la anisotropía de forma determinan una imanación con el eje fácil en el eje de los nanohilos. En el caso de nanohilos con longitudes por encima de 1 ¿m, la fase cristalina dominante es la hcp, lo que resultará en una anisotropía magnetocristalina en el plano. Esto implicará una competición entre las anisotropías de forma y cristalina. Finalmente, en el caso de nanopilares de Co, se encuentra que para diámetros de 35 nm la fase dominante es la fcc. Por encima de este valor de diámetro la estructura cristalina será dominada por la fase hcp: el eje c se reorienta de paralelo a perpendicular al eje de los nanohilos cuando el diámetro supera los 44 nm. El control en la fabricación de arreglos de nanohilos con una anisotropía magnética claramente definida constituye un mecanismo de control del proceso de inversión de la imanación. Lo anterior se ha discutido en este trabajo usando como base modelos analíticos, donde diferentes modos de inversión de la imanación, particularmente el modo de propagación de una pared transversal y de paredes de dominio tipo vórtice, son considerados frente al mecanismo de rotación homogénea coherente. Dichos modelos analíticos fueron usados con el fin de discutir y ajustar los resultados experimentales de la dependencia angular de la coercitividad en Co y en nanohilos de aleaciones basadas en Co. También se ha discutido la dependencia de las propiedades magnéticas de estos sistemas con la temperatura, con el objetivo de fortalecer la discusión sobre el papel que desempeñan las diferentes anisotropías. Se han desarrollado cálculos micromagnéticos de la inversión de la imanación de distintos nanohilos de Co con diferentes relaciones de aspecto (longitudes desde 120 a 1000 nm y diámetros desde 35 a 75 nm). Con las simulaciones fueron obtenidos modos de inversión complejos dependiendo de la geometría y la estructura cristalina de los nanohilos. Las simulaciones muestran que los procesos histeréticos en la mayoría de los nanohilos envuelven la formación del estado vórtice. Para nanohilos con la fase hcp y el eje c transversal al eje del nanohilo, se reporta la formación de un vórtice central que se extiende a lo largo de toda su longitud en la remanencia. La desimanación continúa a través de mecanismos reversibles de rotación del nanohilo con excepción de su núcleo, el cual invertirá de ultimo.