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

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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. Sumário. Introdução e motivações Microbobinas Geradores de corrente pulsada

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Presentation Transcript
microscopia kerr e peem com resolu o temporal novas t cnicas de an lise de materiais magn ticos
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

sum rio
Sumário
  • Introdução e motivações
  • Microbobinas
  • Geradores de corrente pulsada
  • Microscopia Kerr com resolução temporal
  • Microscopia PEEM com resolução temporal
  • Conclusões e Perspectivas
introdu o e motiva es
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)
as microbobinas

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

as microbobinas1

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

geradores de corrente pulsada
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)
geradores de corrente pulsada1
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
geradores de corrente pulsada2
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)
geradores de corrente pulsada3
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
geradores de corrente pulsada4
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

microscopia kerr com resolu o temporal
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
microscopia kerr com resolu o temporal1
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

microscopia kerr com resolu o temporal2
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"
microscopia peem com resolu o temporal
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)
microscopia peem com resolu o temporal1
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
microscopia peem com resolu o temporal2
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
microscopia peem com resolu o temporal3
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
microscopia peem com resolu o temporal5
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).
conclus es e perspectivas
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
conclus es e perspectivas1
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