Resumen de Exchange coupling effects in hybrid GR-4F-3D systems
Nuestra sociedad genera varios exabytes (10 18 ) de datos cada día y de la misma forma aumenta la demanda de dispositivos de almacenamiento y procesamiento más rápidos y con mayores densidades de información. Los sistemas con imanación en el plano están sujetos a limitaciones físicas, mientras que dispositivos con una gran estabilidad térmica y con altas densidades de almacenamiento se pueden realizar recurriendo a sistemas con anisotropía magnética perpendicular (PMA) y con alta remanencia magnética. La PMA se obtiene usualmente mediante el crecimiento alternativo de láminas ultra finas de materiales magnéticos (e.g. cobalto (Co) o hierro (F e)) y metales pesados (HM ) como platino (P t) o iridio (Ir) que inducen un fuerte acoplamiento de espín-órbita en las interfaces debido a efectos de proximidad. Sin embargo, la PMA puede reducirse drásticamente si la morfología y la estructura de las láminas se degradan. Por ello, el diseño, fabricación y caracterización de estructuras con alta PMA representa un área de investigación abierta y próspera.
En este contexto el uso de grafeno epitáxico (Gr) en sistemas magnéticos con PMA es atractivo desde un punto de vista tecnológico dado que se pueden combinar las extraordi- narias propiedades electrónicas del grafeno, como son su larga vida media del espín y su alta longitud de difusión que llega al orden de magnitud de varios micrómetros, con el magnetismo. El caso de sistemas epitáxicos Gr{Co que son foco de estudio en esta tesis, es particularmente atractivo debido a: i) el aumento de la anisotropía debido al momento orbital que es promovido por la hibridación de la banda p del grafeno con los orbitales 3d del cobalto, ii) la estabilización a temperatura ambiente (RT) de estructuras quirales de espín nanométricas como las paredes de dominio (DW) o skyrmiones magnéticos que se originan debido a la interacción de Dzyalohinskii-Moriya en la interfaz Gr{Co, iii) la posibilidad de ajustar las propiedades del grafeno por efectos de proximidad con materiales adyacentes adicionales a través de las interacciones de espín-órbita.
El grafeno también se pude usar en el diseño de sistemas sintéticos anti-ferromagnéticos (SAF) que son prometedores para la fabricación de dispositivos altamente estables, rápidos y de bajo consumo, debido al campo de dispersión casi nulo. De hecho, además de promover la PMA en la interfaz Gr{Co, una lámina de grafeno epitáxico insertado entre dos láminas finas de materiales magnéticos da lugar a un fuerte acoplamiento de súper-intercambio anti-ferromagnético. Adicionalmente, mediante el uso de tierras raras (RE) de tipo 4f entre el grafeno y la lámina de material 3d es posible: i) mantener prácticamente intactas las bandas electrónicas del grafeno evitando así su hibridación con los orbitales 3d, y ii) promover un acoplamiento anti-ferromagnético ajustable entre el Co y/o las RE.
En la presente tesis, primero hemos investigado las propiedades morfológicas, electrónicas y magnéticas de sistemas epitáxicos compuestos de Gr{Co{HM (donde HM p“ Ir, P tq).
Para este propósito hemos recurrido a una metodología basada en la intercalación térmicaen ultra-alto vacío (UHV) combinada con la epitaxia de haces moleculares (MBE) y la deposición química de vapor (CVD) para fabricar sistemas de alta calidad. Las propiedades de las muestras han sido estudiadas in-situ mediante diferentes técnicas de caracterización basadas en la ciencia de superficies tales como: la microscopía de barrido de efecto túnel (STM) y la difracción de electrones de baja energía (LEED) para obtener la configuración estructural; la espectroscopia de fotoemisión de rayos X (XPS) que estudia las propiedades electrónicas y químicas; la espectroscopia de absorción y dicroísmo circular magnético de rayos X generados en sincrotrón (XAS-XMCD) el uso ex-situ del microscopio de efecto Kerr magneto-óptico (MOKE) para revelar experimentalmente las características magnéticas de las multicapas.
Posteriormente hemos realizado estructuras más complejas en las que una lámina adicional hecha de tierras raras tipo 4f es depositada y(o intercalada en la estructura Gr{Co{Ir. Así, hemos investigado el acoplamiento magnético mediado por el grafeno entre los elementos tipo 4f que conforman las tierras raras estudiadas (i.e. Eu, Dy and Gd) y el cobalto metálico, mediante el uso de la técnica in-situ XAS-XMCD.
Encontramos la existencia de un acoplamiento ferromagnético entre el Co y el Eu adsorbido, que están separados por el Gr, y un acoplamiento anti-ferromagnético una vez el Eu ha sido intercalado bajo el grafeno (y adyacente al cobalto). En el caso del Dy y el Gd, ambos adsorbidos e intercalados, se observan acoplamientos antiferromagnetism similares con el Co.
Nuestros resultados abren la posibilidad de integrar materiales tipo RE en dispositivos espín-orbitrónicos basados en grafeno.
