To Politecnico

INFM-TO -POLITECNICO
MATERIALI
NANOGRANULARI
Paolo Allia
Materiali nanogranulari
Attività Unità di Ricerca "Torino Politecnico"
Organizzazione
L’Unità di ricerca Torino Politecnico opera nei WP1 e WP3 nell’ambito della Tematica T1: Materiali
Nanogranulari. L’Unità opera nei seguenti poli: Bologna, Ferrara, L’Aquila, Napoli, Torino, e risulta essere
attualmente composta da:
19 ricercatori (Allia, Bisero, Bonetti, Boscherini, Bottoni, Buttino, Campari, Candolfo, Cecchetti, Del
Bianco, D’Orazio, Donzelli, Iannotti, Lanotte, Lucari, Matteucci, Mazzetti, Poppi, Ronconi)
2 tecnici (Angeli, Costa)
2 borsisti (Celegato, Hison)
Sono direttamente impegnati in attività di ricerca afferenti al Progetto: F. Spizzo (RC/polo di Ferrara); L.
Signorini (DR/polo di Bologna)
E’ stato bandito e regolarmente espletato nella scorsa primavera il concorso da ricercatore triennale
finanziato integralmente dal MIUR ed assegnato all’Unità FIRB. E’ risultata vincitrice la Dott.ssa Lucia
L'attività dell'Unità di Ricerca durante il primo anno è stata principalmente concentrata sulle seguenti
linee di azione, dettagliate nelle relazioni di ciascuna sede che seguono questa introduzione.
1) Proprietà magnetiche dei sistemi nanogranulari prodotti mediante condensazione in gas inerte (IGC). Tale
attività è riferita alla sede di Bologna ed è attualmente svolta in collaborazione con l’Unità FIRB/Fiorani dell’
Istituto di Struttura della Materia (ISM) del CNR di Roma-Montelibretti.
2) Studio di materiali magnetici ad alta anisotropia per registrazione magnetica ad alta densità con particolare
attenzione per il sistema Co(Cr)Pt prodotto mediante PLD. L'attività di ricerca, che viene effettuata
integralmente presso l’istituto ISM, si avvale della collaborazione scientifica di Lucia Del Bianco presso la
sede di Bologna..
3a) Preparazione di nanoparticelle di Ni mediante reazioni chimiche e 3b) Produzione di materiali
nanocompositi costituiti da particelle magnetiche uniformemente distribuite in matrice elastomerica
3b) Caratterizzazione magnetica dei materiali compositi di cui sopra e studio degli effetti sulle proprietà
magnetiche collegati alla dimensione, preorientazione e forma delle particelle magnetiche
3c) Modellistica ed applicazioni in sensori ed attuatori delle proprietà elastomagnetiche dei suddetti
compositi
Queste attività [3a-5] sono riferite alla sede di Napoli.
4) Studio e modellizzazione delle curve di magnetoresistenza isotropa negativa in sistemi a range di
correlazione magnetica nanometrica. Questa attività è riferita alla sede di Torino.
5a) Effetti della cinetica con cui vengono effettuati i trattamenti termici sulle proprietà magnetiche e
magnetoresistive dei materiali granulari.
5b) Studio di film metallici granulari in prossimità della transizione tra comportamento superparamagnetico e
comportamento ferromagnetico.
5c) Studio dell’effetto della dispersione dimensionale dei nanocristalli magnetici nei sistemi granulari sulla
dipendenza del campo coercitivo dalla temperatura.
5d) Effetto delle interazioni magnetiche tra particelle sulle proprietà magnetiche e magnetoresistive.
5e) Dipendenza delle proprietà magnetiche e magnetoresistive dalla concentrazione delle specie magnetiche.
5f) Studio della struttura magnetica dei sistemi granulari mediante spettroscopia Mössbauer e diffrattometria neutronica a basso angolo con
neutroni polarizzati e non.
Queste attività [5a-5f] sono riferite alla sede di Ferrara.
6) Film e multistrati magnetici con comportamento di sistemi di nanoparticelle per applicazioni alla registrazione magnetica ad alta densità.
Questa attività è riferita alla sede dell'Aquila.
Apparecchiature sperimentali acquisite sui fondi specificamente assegnati:
Magnetometro SQUID (DC SQUID MPMS-XL 5 Tesla ) della Quantum Design dotato di sonda per misure di magnetoresistenza, collocato presso
il polo di Ferrara. Il relativo ordine d’acquisto è stato inviato in primavera ed è stato espletato. Lo SQUID è stato ricevuto dal polo di Ferrara e sta
per raggiungere la condizione di operatività (il collaudo è programmato per il 27 ottobre 2003).
Attività di ricerca
Presso la sede di Torino dell'Unità denominata "Torino Politecnico" viene svolta nell'ambito della Tematica 1
(Materiali nanostrutturati) la seguente attività di ricerca:
Studio e modellizzazione delle curve di magnetoresistenza isotropa negativa in sistemi a range di
correlazione magnetica nanometrica.
Si è sviluppata, in questo scorcio del I anno di progetto, una proficua attività di interpretazione dei fenomeni
di magnetotrasporto dovuti all’esistenza di una lunghezza di coerenza magnetica su scala nanometrica, che
risulta pertanto essere dello stesso ordine di grandezza del cammino libero medio degli elettroni.
L’attenzione è stata e sarà rivolta ai sistemi denotati da una frustrazione magnetica sulla scala del nanometro:
fra questi, i tipici sistemi nanoparticellari bimetallici in cui le nanoparticelle interagiscono tramite deboli
interazioni a lungo raggio (prodotti in forma bulk e caratterizzati dall’Unità FIRB/IEN); o i sistemi core-shell
prodotti in questa stessa Unità FIRB (polo di Bologna); o i film sottili prodotti in questa stessa Unità FIRB
(polo di Ferrara). Oltre che su questi sistemi, l’attenzione è stata e sarà rivolta verso i ferromagneti frustrati
che mostrano omogeneità composizionale e nanogranularità magnetica (a causa di interazioni magnetiche dui
scambio in forte competizione). Questi sistemi possono rivelarsi interessanti per applicazioni alla
sensoristica.
Vengono riportati, a titolo d'esempio, alcuni risultati significativi. Nella prima Figura, viene stabilito un
confronto fra lunghezze di correlazione in Au70Fe30 (nota dal PRA ELTMAG concluso nel 2002) e core-shell
Fe-FeO (attività specifica del present progetto FIRB). Si evince chiaramente che la lunghezza di correlazione
magnetica, nei sistemi core-shell, è essenzialmente determinata dalla dimensione delle nanoparticelle e non
dipende sostanzialmente dalla temperatura.
50
AuFe T: 2-273K
40
H* (kOe)
R/ ; R/D
100
10
30
20
Fe-Feoxide(s) - sample O70 -T: 50 - 282 K
10
1
Fe-Feoxide(s) - T: 50 - 282 K
0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
M/MS
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0
50
100
150
200
250
300
T(K)
Nella Figura successiva è riportato l'andamento del campo di correlazione H* di un tipico sistema core-shell
Fe-FeOin funzione della temperatura. Il campo H* è una misura del campo magnetico esterno necessario a
distruggere la correlazione magnetica tra momenti magnetici adiacenti. Nei sistemui core-shell il campo H* è
una debole funzione crescente di T.
Il comportamento di H* con la temperatura può essere efficacemente confrontato con l'andamento della
suscettività ad alto campo (intorno a 50 kOe) dello stesso sistema core-shell Fe-FeO. Anche questo
parametro, che misura il grado di disordine di tipo spin-glass dei momenti magnetici presenti nelle shell di
ossido, è una funzione debolmente crescente della temperatura, e risulta quindi significativamente correlato
con il campo H*.
0.052
0.00
0.050
PMR (%)
HF (a.u.)
-0.05
0.048
-0.10
-0.15
0.046
Fe-Feoxide(s) - sample O70 - T: 50 - 282 K
0
50
100
150
T(K)
200
250
300
-0.20
-1000-750-500-250 0 250 500 7501000
H(Oe)
Cu60Fe20Ni20
joule-heated, annealing current 7 A
Nelle Figure successive è illustratro l'andamento caratteristici delle curve di resistenza isotropa negativa in
sistemi ferromagnetici frustrati con lunghezza nanometrica di correlazione di spin. Tale andamento è
interessante dal punto di vista applicativo (sensori di campo magnetico).
Nella prima Figura è mostrato il comportamento lineare della magnetoresistenza di prossimità in funzione del
campo magnetico applicato nel ferromagnete frustrato Cu60Fe20Ni20 a temperatura ambiente:
Nella seconda Figura è invece mostrato l'andamento lineare della magnetoresistenza di prossimità in funzione
del campo magnetico applicato nel ferromagnete frustrato Au70Fe30 a temperatura ambiente, che ne mette in
risalto le potenzialità quale elemento sensore di elevati campi magnetici.
0
-1
PMR (%)
-2
-3
-4
-5
-6
0
10 20 30 40 50 60 70 80
H (kOe)
Au70Fe30
As-quenched, T = 273 K
Prospettive a breve: si tenterà di pervenire ad una descrizione coerente ed unitaria del fenomeno della
magnetoresistenza gigante o di prossimità in sistemi nanogranulari di ogni genere (in cui la conduzione
elettrica è di tipo ohmico o avviene attraverso fenomeni di hopping). Tale descrizione si baserà sull’analisi
sistematica di combinazioni di misure di magnetoresistenza e magnetizzazione.
I risultati ottenuti nelle varie filiere sono apparsi sui seguenti articoli (pubblicati o in corso di pubblicazione):
P.Allia, M. Coisson, P. Tiberto, F. Vinai
Effects of quenching and annealing on the high-temperature magnetic properties of rapidly quenched Au80Fe20 alloy
J. Magn. Magn. Mater., in corso di pubblicazione
P. Allia, M. Coisson, J. Moya, P. Tiberto, F. Vinai
Granular Metallic Systems as Interacting Superparamagnets: Anhysteretic Magnetization and Hysteresis Loops
J.Magn.Magn.Mat. 254-255, 143-148 (2003)
F.Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, F. Ronconi, P. Vavassori, P.Allia, V. Selvaggini, M.Coisson, P.Tiberto, F.Vinai
GMR as a Function of Temperature in FeAg granular Samples: Effect of Magnetic Interactions
J. Magn. Magn. Mat. 262, 88-91 (2003)
L. Lanotte, G. Ausanio, C. Hison, V. Iannotti, C. Luponio, C. Luponio Jr.
State Of The Art And Development Trends Of Novel Nanostructured Elastomagnetic Composites
(relazione su invito) Proceedings of the 2nd International Workshop on Amorphous and Nanostructured Magnetic Materials, Iasi, September 15-17, 2003, in
corso di pubblicazione
F. Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, A. Da Re, F. Ronconi, P. Vavassori, I. Bergenti, A. Deriu, A. Hoell, H. J. Lauter: “SANS
neutrons on FeAg magnetic granular samples: compositional and magnetic morphology”
J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 124
measurements
with
polarised
F. Spizzo, F. Ronconi, F. Albertini, F. Casoli, L. Pareti, G. Turilli, A. Mazuelas, C. Ferrero, G. Ghiringhelli, A. Tagliaferri, H. Metzger: “Size and ordering of
sputtered Co nanoparticles in Co/Cu multilayers”
Nuclear instruments and methods B, 200 (2003) 142
F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori, I.Bergenti, A.Deriu, A.Hoell: “Small-angle neutron scattering measurements with polarised
neutrons on Fe-Ag magnetic granular systems”
J. Appl. Crystal., 36 (2003) 826
D. Bisero, E. Angeli, L. Pizzo, F. Spizzo, P. Vavassori and F. Ronconi:
films” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 84
D. Bisero, E. Angeli, F. Spizzo, P. Vavassori, and F. Ronconi:
(2003) 116
“Transport properties and magnetic disorder/order transition in FexAg100-x
“Coercive field vs temperature in Fe/Ag nanogranular films” J. Magn. Magn. Mater., 262
P. Vavassori, E. Angeli, D. Bisero, F. Spizzo, F. Ronconi: “Spin-dependent transport in granular films with mixed length-scale magnetic
coherence” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 52
P. Vavassori, F. Spizzo, E. Angeli, D. Bisero, and F. Ronconi: “Evolution from multilayer to granular behaviour via Cobalt layers fragmentation in
Co/Cu multilayers” J. Magn. Magn. Mater., 262 (2003) 120
F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori, I.Bergenti, A.Deriu, A. Hoell: “FeAg magnetic granular systems: a sans study
with polarised neutrons” Physica B, 335 (2003) 119
G. Albanese, A. Deriu, J. Moya, E. Angeli, D. Bisero, A. Da Re, F. Ronconi, F. Spizzo, P. Vavassori, M. Baricco, E. Bosco: “Mössbauer
investigation of Au/Fe alloys with giant magnetoresistance properties” J. Magn. Magn. Mater., in print
F.Spizzo, E.Angeli, D.Bisero, A.Da Re, F.Ronconi, P.Vavassori: “Mössbauer investigation of sputtered FexAg100-x films” J. Magn. Magn. Mater., in
print