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

Migliorini, Andrea (2018). Spontaneous exchange bias formation driven by a structural phase transition in the antiferromagnetic material. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.50491.

Description

Title: Spontaneous exchange bias formation driven by a structural phase transition in the antiferromagnetic material
Author/s:
  • Migliorini, Andrea
Contributor/s:
  • Prieto Martín, José Luis
  • Muñoz Sánchez, Manuel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2018
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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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. ----------ABSTRACT---------- Most magnetic devices in advanced electronics rely on the exchange bias effect, a magnetic interaction that couples a ferromagnetic and an antiferromagnetic material, resulting in a unidirectional displacement of the ferromagnetic hysteresis loop by an amount called the “exchange bias field”. Setting and optimizing the exchange bias involves a thermal treatment in presence of an external magnetic field, which allows to control the degree of magnetic order in the antiferromagnetic material. In this thesis we demonstrate an alternative process for the generation of exchange bias. Our study focuses on one of the most common systems for technological applications based on exchange bias, which is the ferromagnetic FeCo coupled to the antiferromagnetic IrMn in the form of a multilayered thin film deposited by magnetron sputtering. We have found the deposition conditions which leave the IrMn layer in a metastable amorphous/nanocrystalline phase. The disordered state of the IrMn prevents the setting of the exchange bias in the adjacent FeCo layer, which shows a centered hysteresis loop with low coercivity, typical of soft ferromagnetic thin films. During the days after deposition, a structural phase transition in the IrMn layer develops spontaneously at room temperature and spreads according to a two-dimensional nucleation and growth process. As the phase transition propagates, the FeCo gets progressively exchange-biased according to the direction of its remanent magnetization. The structural characterization of the IrMn/FeCo bilayers reveals that the as-deposited amorphous/nanocrystalline IrMn undergoes a spontaneous crystallization which leads to a highly crystalline, chemically-disordered γ-phase. Once the phase transition is completed, the IrMn layer consists of very large single-crystal grains, of the order of few hundred nanometers, with a large density of structural defects which extend through its thickness. The images taken by transmission electron microscopy indicate that the origin of these defects may lie in the polycrystalline nature of the adjacent FeCo layer. The magnetic characterization of the crystallized samples shows a moderately strong exchange bias with good stability at room temperature. It also reveals some unexpected magnetic and thermal responses which cannot be explained with the granular model for the exchange bias, generally used for polycrystalline materials. In order to justify the properties of the crystallized samples upon field annealing, we analyze the results in light of a strong antiferromagnetic domain walls pinning model, which indicates that the structural defects in the IrMn layer may play an important role in both the stability and the strength of the exchange bias. Furthermore, we propose a possible mechanism for the initial setting of the exchange bias, which would explain the progressive increase of the exchange bias field during its spontaneous formation, as the crystalline phase propagates. Finally, we report the interesting possibility of controlling the direction of the exchange bias, simply by switching the magnetization of the FeCo layer as the phase transition propagates. This allows microscopic patterning of the direction of the exchange bias, which is generally not possible unless the sample is locally treated with laser or ion radiation. The study of this mechanism for establishing and tailoring the exchange bias in IrMn/FeCo systems can contribute toward the clarification of fundamental aspects of this phenomenon, as well as toward further developments in the field of spintronics.

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Item ID: 50491
DC Identifier: http://oa.upm.es/50491/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:50491
DOI: 10.20868/UPM.thesis.50491
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 21 May 2018 13:46
Last Modified: 25 Nov 2018 23:30
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