Microscopia Kerr e PEEM com resolução temporal: novas técnicas de análise de materiais magnéticos

1. Microscopia Kerr e PEEM com resolução temporal: novas técnicas de análise de materiais magnéticos Marlio Bonfim UFPR- Universidade Federal do Paraná Colaboração: Laboratoire Louis Néel - CNRS

2. Sumário • Introdução e motivações • Microbobinas • Geradores de corrente pulsada • Microscopia Kerr com resolução temporal • Microscopia PEEM com resolução temporal • Conclusões e Perspectivas

3. Introdução e motivações • Estudo dinâmico da magnetização de filmes finos TbFe • Pulsos de campo magnético com amplitude e largura variáveis : microbobines et fontes de corrente pulsada • técnicas de detecção rápida da magnetização : efeitos magneto-ópticos (XMCD, Kerr/Faraday)

4. Si Cu Vista superior amostra SiO2 Si Vista em corte As microbobinas • Campo perpendicular: • Eletrodeposição de 30µm de Cobre sobre Si •  50 m (L < 1nH) • 14mT/A • Bmax = 50 T superfície • Bmax = 70 T interior H

5. I 5mm As microbobinas isolante Cu • Campo planar: I • 25µm Cobre sobre epoxi ou Kapton • ~5 x 0,5 mm (L~3 nH) • 0,7 a 1,2 mT/A • Bmax = 2 T interior amostra H I X-ray / Laser 0,5mm H

6. Geradores de corrente pulsada • Dificuldade de gerar pulsos rápidos de corrente: • I : corrente • t : tempo • V : tensão • L : indutancia • Quanto maior a indutância, maior deve ser a tensão para o mesmo dI/dt • Indutâncias das bobinas, cabos, conexões ~ 10 nH • Para dI/dt de 10 A/ns  V=100 V (sem contar as perdas ohmicas nas resistências do circuito)

7. Geradores de corrente pulsada • Transistores MOSFET de potência usados como chave • pulsos unipolaires ou bipolaires • Corrente final (plateau) limitada pela tensão e resistências • Tempo de subida definido pela constante de tempo • Alta corrente  mais lento • Baixa corrente  mais rápido

8. Geradores de corrente pulsada • Medida da corrente: tensão sobre resistores em série • Calibração do campo na microbobina: medida magneto-óptica em material conhecido (rápida resposta temporal)

9. Geradores de corrente pulsada • Pulsos de corrente: centenas de Ampères, dezenas de ns, tempos de subida/descida 5 a 20 ns • amplitude e largura facilmente controláveis a partir de um sinal TTL padrão • Possibilidade de sincronização com fonte de luz pulsada (laser, raios-X) para medida estroboscópica (pump-probe) • Alta reprodutibilidade entre pulsos ~ 0,1% • Taxa de repetição < 500 kHz • Potência média < 50 W

10. Geradores de corrente pulsada • Geradores com Transistor Avalanche • Descarga de linha 50 ohms • Tempos de subida/descida inferiores a 1 ns • Amplitude máxima da ordem de 10 A tr~800 ps

11. Microscopia Kerr com resolução temporal • Visualisação dos processos de nucleação e propagação dos domínios magnéticos: • melhor compreensão da dinâmica de magnetização • escolha e validação de modelos matemáticos • Técnica de medida: • Estroboscópica (pump-probe) com diodo laser IR pulsado (850 nm, 5 ns) • câmera CCD padrão 560x710 pixels • Resolução espacial: ~1 µm • Resolução temporal: ~5 ns • Tratamento das imagens: média e subtração  maior sensibilidade e contraste

12. Microscopia Kerr com resolução temporal • Garnet : (Y Gd Tm Bi)3(Fe Ga)5O12 • 7 µm sobre substrato de GGG • forte rotação faraday (~ 6) • anisotropia perpendicular ~120 mT • medidas dinâmicas: • µbobina de 50 µm X 1 mm • Pulso de campo: 150 mT @ 50 ns • Sequência de imagens: passo de 12,7 ns entre cada imagem • Tempo de aquisição: 30 s por imagem Região de medida 50µm amostra µbobina H

13. Microscopia Kerr com resolução temporal 50 µm 180 µm

14. Microscopia Kerr com resolução temporal • Dinâmica dominada pela propagação de domínios • Velocidade da parede de domínio: V = 48 m/s  µw=320 m/T.s • Propagação a campo fraco: V= µw(H-Hc) H<H0 µw= cte • Mobilidade a campo fraco : µw=1160 m/T.s  H0 << 150mT • Observa-se 2 velocidades médias de propagação após o pulso • Oscilação após o pulso: "bubble overshoot"

15. Microscopia PEEM com resolução temporal • PEEM: Photoemission Electron Microscope • Feixe de raios-X incide sobre toda a amostra • Elétrons secundários emitidos pela amostra são captados pelas lentes eletrostáticas • Imagem ampliada coletada por tela fosforescente + Câmara CCD • Contraste magnético: XMCD • Polarização circular do feixe de raios-X • Diferença de absorção para polarização direita e esquerda • Seletividade em elemento químico pela energia dos fótons (borda de absorção) • Alta sensibilidade: filmes finos (mono-layer)

16. Microscopia PEEM com resolução temporal • Síncrotron: • BESSY II (Berlin) • linha de luz: UE56/2-PGM2 • Ondulador helicoidal  polarização circular • Técnica de medida dinâmica: • Estroboscópica (pump-probe) • Modo de operação: "single-bunch" (período de 800 ns) • Pulsos de campo sincronizados com "bunch" de fótons • Resolução temporal: ~100 ps • Aquisição e tratamento das imagens: : • câmera CCD padrão 640x480 pixels • Resolução espacial: ~0,5 µm • média e subtração de imagens • Tempo de aquisição: ~15 min por imagem

17. Microscopia PEEM com resolução temporal • Redução da taxa de repetição "single-bunch" • Aquecimento da bobina/amostra • Pulso de tensão aplicado à grade metálica no microscópio

18. Microscopia PEEM com resolução temporal • Sistema estudado: • "spin valve-like trilayer" • Ni80Fe20 [5 nm]/Cu [10 nm]/Co [5 nm] depositado em substrato de Si[111] "step-bunched" • "step-bunch" anisotropia planar uniaxial • Medidas precedentes XMCD: • Estático: forte acoplamento entre NiFe e Co • Dinâmico: fraco acoplamento • Acoplamento tipo "orange peel" induzido pela topologia do substrato

19. Microscopia PEEM com resolução temporal • Seqüência de imagens...

20. Microscopia PEEM com resolução temporal • Propagação das paredes de domínios predomina no regime quasi-estático • Nucleação de domínios predomina na dinâmica em tempos curtos (nanosegundos) • Acoplamento entre camadas fortemente localizado nas regiões de "step-bunch" • Paredes de domínio devem atravessar essas regiões durante propagação • J. Vogel, W. Kuch, M. Bonfim, J. Camarero, Y. Pennec, F. Offi, K. Fukumoto, J. Kirschner, A. Fontaine, and S. Pizzini, Appl. Phys. Lett. 82, 2299 (2003).

21. Conclusões e Perspectivas • Microscopia Kerr com resolução temporal • Resolução espacial ~1 µm  pode ser melhorada com óptica e laser de menor  • Resolução temporal ~5 ns  testes iniciais com laser 50 ps • Sensibilidade relativamente baixa • Tempo de aquisição relativamente curto

22. Conclusões e Perspectivas • Microscopia PEEM com resolução temporal • Seletividade química  estudo de estruturas magnéticas multicamadas • Resolução espacial ~0,5 µm  atualmente limitada pelo deslocamento da imagem • Resolução temporal ~100 ps  adequada para dinâmica de sistemas magnéticos atuais • Sensibilidade relativamente alta  filmes finos (mono layer) • Tempo de aquisição relativamente alto