Ressonância ferromagnética de filmes finos de ferrite de zinco

Abstract

Este projeto teve como objetivo o estudo de filmes finos de ZnFe2O4 (ZFO) crescidos por deposição por laser pulsado (PLD). As ferrites são muito sensíveis às condições de crescimento, e, por isso, é que apresentam uma variedade de propriedades em função do modo como são crescidas (microestrutura). Filmes finos de ferrites têm motivado vários estudos teóricos e experimentais devido a novas propriedades elétricas, óticas e magnéticas, bem como a aplicações destes materiais à microeletrónica, magneto-ótica e spintrónica. As amostras foram crescidas por (PLD) sob específicas condições (pressão parcial de oxigénio, aquecimento, temperatura dos substratos), em substratos de r-safira, de SrTiO3 (001),e de SrRuO3/SrTiO3(001). Medidas de ressonância ferromagnética (FMR) foram usadas para o estudo do comportamento magnético de várias séries de filmes finos de ZFO com diferentes orientações das amostras relativamente ao campo magnético externo. Dados da magnetização estática num SQUID, dados de difração de raios-X (DRX) e de energia de dispersão de raios-x (EDX) obtidos nas mesmas amostras foram analisadas em conjunto com os espectros de FMR com o intuito de atingir uma interpretação de confiança. As medidas de FMR foram realizadas no intervalo de temperaturas entre 5 K e 420K a uma frequência de aproximadamente 9.4 GHz (banda X de micro-ondas) em campos magnéticos até aos 1.5T, num espectrómetro ESP 300E da Bruker equipado com crióstatos de fluxo de azoto e hélio. Os espectros foram obtidos para rotações do campo magnético aplicado dentro do plano e fora do plano dos filmes. A análise das dependências angulares dos espectros de FMR foi efetuada no âmbito do formalismo de Smith-Beljers. Praticamente todos os filmes exibiram a razão quase estequiométrica Zn/Fe e a presença de ordem magnética, mesmo que a fase de ferrite de zinco com a estrutura de espinela não foi detetada nas amostras crescidas a temperaturas de substrato inferiores a Tsub = 1000K. Também foi constatado que a qualidade cristalina depende fortemente da pressão parcial de oxigénio durante a deposição dos filmes. Filmes de ZnxFe3−xO4 monofásicas e com textura pronunciada foram obtidos em substratos de SrTiO3 para PO2 = 210–3 mbar e Tsub = 1000 K. Medições de FMR revelaram a existência, nestes filmes, de anisotropia cúbica. Os valores de magnetização efetiva e parâmetro de anisotropia cúbica (4πMeff ≈ 3.0kOe e K1c = –1.5104 erg/cm3) foram obtidos através de uma análise detalhada dos espectros de FMR. Mesmo que nenhuma estrutura cristalina pudesse ser atribuída aos filmes crescidos a Tsub < 1000 K, ondas de spin bem resolvidas foram detetadas num destes a temperaturas criogénicas. O respetivo parâmetro de rigidez (~810–8 erg/cm) é cinco vezes menor do que o valor previamente relatado na literatura para filmes de ZFO. A largura de linha é em todos os casos bastante grande, indicando heterogeneidades internas. Na maioria das amostras, ressonâncias adicionais foram observadas que podem resultar de: modos superficiais, ondas de spin e ou da presença de fases magnéticas diferentes.

The object of this study have been ZnFe2O4 (ZFO) thin films grown by pulsed laser deposition (PLD). The ferrites are extremely sensible to the growth conditions, so that they represent a variety of properties as a function of the growth conditions (microstructure). Ferrite thin films have motivated a lot of theoretical and experimental studies owing to novel electric, optical and magnetic properties and possible applications in microelectronics, magnetooptics and spintronics. The samples were grown by pulsed laser deposition (PLD) under specific conditions (partial oxygen pressure, heating) on r-sapphire and (001) SrTiO3 substrates, with and without SrRuO3 buffer layers. For the study of the magnetic behavior of various series of ZFO thin films, ferromagnetic resonance (FMR) measurements as a function of the temperature and sample orientation with respect to the external magnetic field have been performed. Static magnetization data measured in a SQUID magnetometer, energy-dispersive X-ray spectrometry results and x-ray diffraction (XRD) curves obtained on the same samples have been analyzed together with the FMR spectra in order to obtain the most full and reliable interpretation of the results. FMR spectra were measured in the X-band (f ≈ 9.4 GHz) at temperatures from 5 to 420K on a Bruker ESP 300E EPR spectrometer equipped with a helium and a nitrogen continuous flow cryostats. Azimuthal (in-plane) and polar (out-of-plane) angular dependences of the FMR spectra for sample rotation in external magnetic field up to 1.5 T have been measured. The analysis of the angular dependences of the spectra have been performed in the framework of the Smith-Beljers formalism. A zinc ferrite spinel phase has been found only in the samples grown at Tsub = 1000K. Nevertheless, almost all samples exhibited a stoichiometric Zn/Fe ratio and magnetic (non-paramagnetic) ordering, even when the spinel phase was absent in film. The quality of the zinc ferrite films was found to be strongly dependent on the oxygen partial pressure during the deposition. Increasing of the oxygen pressure during the deposition efficiently removes second phases like iron and zinc oxides from the film. Monophase, highly textured zinc ferrite films have been grown on (001) SrTiO3 substrates at PO2 = 210–3 mbar and Tsub = 1000 K. FMR conducted on these films has revealed a fourfold cubic magnetic anisotropy with 4πMeff ≈ 3.0 kOe e K1c = –1.5104 erg/cm3. Though no crystalline structure could be found in the samples grown at Tsub < 1000 K, well-resolved spin wave spectra have been detected in one of them at cryogenic temperatures. The respective stiffness parameter (~810–8 erg/cm) is at least five times smaller than the value reported formerly in zinc-ferrite films. The FMR line width is in all cases pretty large, indicating internal heterogeneities in the films. In most of the samples, additional resonances were detected, possibly due to surface modes, spin waves and the presence of different magnetic phases.