Developments of multiferroic heterostructures of thin film of Ni-Mn-Ga alloys and PMN-PT

Abstract

Ligas de forma ferromagnética em sistemas Ni-Mn-Ga são uma classe recente de materiais activos que podem gerar deformações de até 10% induzidas por um campo magnético por um rearranjo de maclas. Esta e outras propriedades físicas destas ligas têm importância tecnológica. Este trabalho investiga as propriedades de filmes finos de ligas de Ni-Mn-Ga sobre diferentes substratos, incluindo substratos activos (piezeléctricos). Para estudar as propriedades de filmes finos da liga, heteroestruturas sob a forma de Ni-Mn-Ga/substrato foram produzidas por RF sputtering com magnetrão utilizando temperaturas de deposição de 3200C, 3700C, 4000C sobre substratos de Al2O3, MgO, SrTiO3 e PMN-PT. A influência da temperatura do substrato durante a deposição nas propriedades estruturais e magnéticas de filmes finos foi estudada. Além disso, o acoplamento magnetoeléctrico entre Ni-Mn-Ga como filme fino material ferromagnético e PMN-PT como material piezoeléctrico foi investigada. O efeito magnetoeléctrico foi investigado apenas em filmes depositados a temperatura do substrato de 3700C e 4000C. As propriedades estruturais foram estudadas por difração de raios-X, as propriedades magnéticas foram investigadas por VSM, SQUID, e MFM, e o efeito magnetoeléctrico foi estudado por técnica lock-in. A medida estrutural mostrou que os filmes depositados são parcialmente cristalinos e o grau de cristalinidade aumenta como o aumento da temperatura do substrato. Fases austenita e martensita foram observadas nesses filmes. Os resultados da medição magnética mostram que todos os filmes depositados exibem comportamento ferromagnético e o comportamento ferromagnético é favorecido com o aumento da temperatura do substrato. Todos os filmes depositados na temperatura do substrato de 400ºC apresentam temperaturas dev Curie acima da temperatura ambiente: 337K para Ni-Mn- Ga/PMN-PT, 345K para Ni-Mn-Ga/STO e 348K para Ni-Mn-Ga/Al2O3. Nenhuma evidência separada de temperatura de transição estrutural foi observada para nos filmes. Os resultados das medições magnetoeléctricas mostram que as heteroestruturas multiferróicas Ni-Mn-Ga/PMN-PT apresentam efeito magnetoelétrico. O valor máximo medido para a tensão magnetoeléctrica induzida para filmes depositados à temperatura do substrato de 3700C e 4000C são 3.16mV/cmOe e 3.02mV/cmOe, respectivamente.

Ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) in Ni-Mn-Ga systems are a recent class of active materials that can generate large magnetic field induced strains up to 10% by twin rearrangement. This and other physical properties these alloys have many technological importance. This work investigates the properties of Ni-Mn-Ga alloy thin films on different substrates including active substrate (piezoelectric). To study the properties of thin films of the alloy, the heterostructures in the form of Ni-Mn-Ga/substrate were produced by RF magnetron deposition system using substrate deposition temperatures of 3200C, 3700C, and 4000C, where the substrates used were Al2O3, MgO, SrTiO3 and PMN-PT. The influences of deposition substrate temperature on structural and magnetic properties of sputtered thin films on the aforementioned substrates were studied. Moreover, magnetoelectric coupling between Ni-Mn- Ga thin film as ferromagnetic material and PMN-PT as piezoelectric material was investigated. The magnetoelectric effect was investigated only on films deposited at substrate temperature of 3700C and 4000C. The structural properties were studied by x-ray diffraction, magnetic properties were investigated by VSM, SQUID, and MFM, and the magnetoelectric effect was studied by lock-in technique. The structural measurement has shown that asdeposited films are partially crystalline and degree of crystallinity increases as substrate temperature increase. Austenite and martensite phases have been observed in these films. The magnetic measurement results show that all films as-deposited display ferromagnetic behaviour and ferromagnetic behaviour improvements are observed as substrate temperature increases. All films deposited at substrate temperature of 4000C exhibit Curie temperatures above room temperature which are 337K for Ni-Mn-Ga/PMN-PT, 345K for Ni-Mn- Ga/STO, 348K for Ni-Mn-Ga/Al2O3. No separate signature of structural transition temperature was observed for all these films. The magnetoelectric measurement results show that a heterostructure of Ni-Mn-Ga/PMN-PT multiferroic exhibit magnetoelectric effect. The measured maximum induced magnetoelectric voltage for films deposited at substrate temperature of 3700C and 4000C are 3.16mV/cmOe and 3.02mV/cmOe, respectively.