Ferrara

INFM-FERRARA
ATTIVITA’ DEL GRUPPO DI FERRARA SUI SISTEMI
NANOGRANULARI
Franco Ronconi
1/3
Unità di ricerca del Politecnico di Torino
Gruppo di Ferrara
Partecipanti:
Angeli Ergisto
Bisero Diego
Bottoni Giancarlo
Buttino Giuliana
Candolfo Donato
Cecchetti Antonio
Donzelli Onofrio
Ronconi Franco
Spizzo Federico
Consuntivo scientifico
Temi trattati e principali risultati ottenuti:
 Studio di film metallici granulari in prossimità della transizione tra
comportamento superparamagnetico e comportamento
ferromagnetico.
 Sono stati ottenuti i seguenti risultati:
a. rilevati gli effetti delle diverse “scale di lettura” con cui le
misure di magnetoresistenza e magnetizzazione sondano la
struttura magnetica (Co-Cu, Fe-Ag);
b. effettuato il confronto tra lunghezza di coerenza magnetica e
cammino libero medio elettronico in strutture magnetiche
disordinate (Fe-Ag e Co-Cu).
Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 3293,
J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 52
 Studio dell’effetto della dispersione dimensionale dei nanocristalli
magnetici nei sistemi granulari sulla dipendenza del campo
coercitivo dalla temperatura.
 È stato osservato che la dipendenza del campo coercitivo dalla
temperatura è spiegabile in termini di distribuzione
dimensionale dei cluster magnetici. Questo risultato è stato
ottenuto sia nei sistemi Co-Cu che in quelli Fe-Ag, quindi
sembra essere indipendente dalla natura delle nanoparticelle
magnetiche.
Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 2225, J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 116
Consuntivo scientifico
 Dipendenza delle proprietà magnetiche e magnetoresistive dalla
concentrazione delle specie magnetiche.
 Sono stati ottenuti i seguenti risultati nei film granulari Fe-Ag:
a. è stata individuata la composizione critica oltre la quale le
interazioni tra nanoparticelle hanno una rilevante influenza
sul comportamento magnetico e resistivo del sistema;
b. lo studio di sistemi con bassa e alta concentrazione di Fe
rispetto alla composizione critica, ha permesso di rilevare
l’influenza della temperatura sull’effetto magnetoresistivo
gigante.
J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 84, J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 88
 Effetti delle interazioni magnetiche tra nanoparticelle sulle
proprietà magnetiche e magnetoresistive.
 È stato osservato che l’evoluzione della struttura magnetica nel
regime di transizione tra sistema multistrato e sistema
granulare, può essere analizzata mediante misure di
magnetizzazione e di magnetoresistenza, sia a temperatura
ambiente, sia alle basse temperature.
J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 473,
J. Magn. Magn. Mat. 262 (2003) 120
Consuntivo scientifico
 Studio della struttura magnetica dei sistemi granulari mediante
spettroscopia Mössbauer e diffrattometria neutronica a basso angolo
con neutroni polarizzati e non.
 È stato rilevato che nei granulari di Fe-Ag e Fe-Au preparati
mediante sputtering e di Fe-Au ottenuti mediante melt-spinning:
a. coesistono regioni magnetiche e non-magnetiche ricche in
ferro e che queste ultime scompaiono all’aumentare della
concentrazione di Fe (Fe-Ag);
b. i sistemi analizzati presentano una notevole dispersione
della dimensione dei nanocristalli magnetici (Fe-Ag, Fe-Au
[1]);
c. la variazione di composizione dei sistemi granulari Fe-Ag
modifica la morfologia degli aggregati aventi elevata
coerenza magnetica e non la morfologia dei cluster aventi
composizione omogenea;
d. la struttura magnetica risulta essere disordinata e non
omogenea (Fe-Ag [2], Fe-Au [1]) e manifesta una forte
dipendenza dalla temperatura
Physica B 335 (2003) 119, J. Appl. Cryst., 36 (2003) 826
[1] accepted for publication in J. Magn. Magn. Mat.
[2] accepted for publication in J. Magn. Magn. Mat.
Apparecchiature da utilizzare nel progetto per la
crescita di film granulari e multistrato

“dc magnetron sputtering” dotata di tre target da 3 pollici di diametro,
 “dc magnetron cosputtering” dotata di due target da 3 pollici di diametro
e di
 “Total-reflection X-Ray Fluorescence spectroscopy” per l’analisi
in situ e in tempo reale della composizione dei film durante la crescita

Spettrometro di massa per l’analisi dei gas residui
 Predisposizione per trattamento di baking per ottenere pressioni di < 10 –9
Torr prima di introdurre l’argon in camera di sputtering

Substrato: movimentazione con sei gradi di libertà
temperatura variabile da 100 K a 700 K
polarizzazione anti bombardamento elettronico sul film

Plasma con controllo indipendente di due dei tre parametri:
Potenza, Corrente, Potenziale

Magnetron con geometria variabile del campo magnetico

Misuratore di spessore del film con oscillatore al quarzo

“Ion beam sputtering” per ottenere film granulari in matrice non metallica

“Differential scanning calorimetry” (T = 100 K  300 K)
 per attivare e controllare le reazioni allo stato solido
 per valutare in tempo reale le grandezze termodinamiche di tali reazioni
Apparecchiature da utilizzare nel progetto per la
caratterizzazione ex situ dei campioni

magnetometro DC SQUID (T= 2 K  400 K) dotato di
 magnete superconduttore da 5 Tesla
 sonda per misure di magnetoresistenza
 apparato per le misure di magnetoresistenza ( R = 0.1   109 )

spettrometro Mössbauer in trasmissione (T = 15 K  300 K) e in riflessione

termogravimetro in gradiente di campo magnetico con analisi
termica differenziale simultanea (T = 300 K  1300 K)
 per valutare la temperatura di Curie
 per rilevare in tempo reale durante il riscaldamento: i) i parametri
termodinamici associati ai processi di assorbimento/rilascio di molecole
gassose, ii) i cambiamenti di struttura, iii) la formazione di fasi magnetiche, ecc.

calorimetro differenziale a scansione (T = 100 K  900 K) per valutare:






la stabilità strutturale dei sistemi granulari
la temperatura di Debye
la temperatura di Curie in assenza di campo magnetico
la cinetica del processo di nucleazione e crescita degli embrioni cristallini,
i parametri termodinamici associati ai processi cambiamenti di struttura, ecc.
spettrometro di fluorescenza X in riflessione totale
per l’analisi
composizionale ai vari livelli di profondità nei film granulari
 tecniche GISAXS, SANS, SANSPOL e XPS da utilizzare presso i laboratori
internazionali
Proposta di alcuni obiettivi
Film granulari in matrice metallica
 Ottimizzare, in vista delle applicazioni, le proprietà fisiche dei film
Fe-Ag, agendo :
 sul grado di omogeneità dimensionale dei nanocristalli
 sul grado di regolarità delle distanze tra nanocristalli
 sul grado di rugosità delle superfici dei nanocristalli
 sull’inserimento di film ferromagnetici nei sistemi granulari
 Studiare la dipendenza della magnetoresistenza gigante (GMR)
dalle proprietà elettroniche e strutturali degli elementi che
compongono il film granulare
Campioni: Fe-(Ag, Au) e Co-(Cu, Ag)
Film granulari in matrice non metallica
 Realizzare film granulari in matrice non metallica per studiare, in
vista delle applicazioni, i meccanismi che determinano i seguenti
effetti:
 dipendenza della magnetoresistenza dalla temperatura,
 dipendenza della magnetoresistenza dal voltaggio di bias
Campione originale: Si/Co/Co-Cu
DSC
granulare non
metallico
Campioni: Co-Al-O, Co-SiO2, Co-NiO, Fe-Al2O3, Fe-SiO2