Estudios magnéticos y microestructurales de películas delgadas de ferritas de Ni y Zn : una aproximación al entendimiento del efecto Seebeck por espines

Abstract

RESUMEN: Esta tesis aborda uno de los efectos más importantes en la caloritrónica de espín: el efecto Seebeck por espines (SSE, por sus siglas en inglés) en películas delgadas de ZnFe2O4 (ZFO) y NiFe2O4 (NFO) crecidas mediante un sistema RF magnetron sputtering y depositadas sobre Si (111), MgO (100) y SrTiO3 (100). Inicialmente, se da una breve descripción de los fenómenos de transporte necesarios para la comprensión del SSE, como el efecto Seebeck convencional (SE), el efecto Hall de espín directo e inverso, así como la dinámica de la magnetización mediante la técnica de resonancia ferromagnética. De acuerdo con la caracterización estructural, los blancos presentaron una estructura espinela normal para la ferrita de zinc y una espinela inversa para la ferrita de níquel; mientras que para el material en película delgada se evidenció una estructura espinela mixta en ambas ferritas, asociado a la distribución catiónica en la estructura cristalina. Lo anterior fue confirmado mediante difracción de rayos X (XRD, por sus siglas en inglés), espectroscopía de fotoelectrones emitidos por rayos X (XPS, por sus siglas en inglés) y espectroscopía de pérdida de energía de electrones por reflexión (REELS, por sus siglas en inglés). La respuesta magnética en ambas ferritas se caracterizó mediante magnetometría de muestra vibrante (VSM, por sus siglas en inglés). Particularmente, mediante la técnica de resonancia ferromagnética (FMR, por sus siglas en inglés) investigamos las propiedades magnéticas de las películas de ZnFe2O4, ya que las películas de NiFe2O4 no mostraron un espectro de absorción. La dependencia angular del campo FMR mostró la existencia de una anisotropía uniaxial (two-fold anisotropy) y biaxial (four-fold anisotropy) para el mismo material aunque depositado sobre diferentes sustratos. Mediante el uso de un modelo que toma en consideración las contribuciones más relevantes de la energía libre, pudimos estimar los siguientes parámetros: magnetización efectiva, campo de anisotropía magnetocristalina, campos de anisotropía uniaxial en el plano y fuera del plano, así como el factor g. Las muestras depositadas sobre Si (111) mostraron una anisotropía en el plano uniaxial; mientras que se observó una anisotropía biaxial para las muestras sobre MgO (100) y SrTiO3 (100). Además, las muestras crecidas sobre MgO presentaron una constante de amortiguamiento alrededor de 0.026, similar al de otras ferritas tipo espinela. Finalmente, investigamos el efecto Seebeck por espines longitudinal (LSSE, por sus siglas en inglés) en las películas de ZnFe2O4, mostrando una dependencia lineal del voltaje SSE con la diferencia de temperatura en ambos lados de la muestra. Se encontró un coeficiente Seebeck quince veces mayor que el encontrado en el material en bloque, mostrando una conversión eficiente de la corriente de espín en corriente de carga en la capa de Pt. Aunque las películas de ZFO presentaron una respuesta magnética mejorada alrededor de 8 \mu_B comparada con la magnetización del material en bloque, la respuesta LSSE no puede ser atribuída solamente al magnetismo del material por sí mismo, pues el tipo de sustrato influye en el tipo de simetría, la cual está relacionada con el desajuste entre la red de la película y el sustrato, que a su vez puede cambiar significativamente la magnitud del coeficiente Seebeck de espín.

ABSTRACT: This thesis deals one the most important effects in spin caloritronics: the spin Seebeck effect (SSE) in ZnFe2O4 (ZFO) and NiFe2O4 (NFO) thin films grown by means of a RF magnetron sputtering system and, deposited on Si (111), MgO (100) and SrTiO3 (100) substrates obtained commercially. Initially, we provide a brief description of the transport phenomena necessary for the understanding of SSE, such as the conventional Seebeck effect (SE), the spin Hall effect and the inverse spin Hall effect, as well as the dynamics of magnetization through the ferromagnetic reso- nance technique. According to the structural characterization, the targets presented a normal and inverse spinel structure for the ZFO and NFO respectively; while for the thin films, a mixed spinel structure was evidenced in both ferrites, associated with the cationic distribution in the crystalline structure. These results were confirmed by X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and reflection electron energy loss spectroscopy (REELS). The magnetic response obtained for both ferrites was characterized by vibrating sample magnetometry (VSM). Particulary, by means of ferromagnetic resonance technique (FMR), we investigated the magnetic properties of ZnFe2O4 films, since NiFe2O4 films did not show an absorption spectrum. Angular dependence of the FMR field showed the existence of twofold and fourfold anisotropies for the same material, althougt it was deposited on different substrates. By using a model that takes into consideration the relevant contributions to the free energy, we were able to estimate the following parameters: effective magnetization, cubic magnetocrystalline anisotropy field, in-plane, and out-of-plane uniaxial anisotropy fields, as well as the g factor. The samples deposited on Si (111) showed a twofold anisotropy while a fourfold magnetic anisotropy was observed for the samples on MgO (100) and SrTiO3 (100). Also, the samples deposited on MgO (100) indicated a damping parameter to be ∼ 10−2 . Finally, we investigate the longitudinal spin Seebeck effect (LSSE) in ZnFe2O4 thin films. The LSSE voltage signal exhibited a linear dependence with the temperature difference between both sides of the sample. The Seebeck coefficient for the thin films was three orders of magnitude greater than the coefficient found for the bulk sample, showing an efficient conversion of spin current into charge current within the Pt layer. Although the ZFO thin films presented an enhanced magnetic response around 8 µB compared with the magnetization of bulk sample (0.05 µB), the LSSE response do not only can be attributed to magnetism of material, since the type of substrate influences in the type of symmetry, which is related to the mismatch between the lattice of the film and the substrate, and which in turn can change significantly the magnitude of the spin Seebeck coefficient.