Efectos de matriz y tamaño en las propiedades magnéticas y magnetoópticas de nanopartículas magnéticas

Resumen

Contenido Agradecimientos ........................................................................................................xi Capítulo 1.- Introducción y motivación de la tesis 1.1. Introducción y motivación de la tesis ....15 1.1.1. Efectos del tamaño de las nanopartículas ...........................................17 1.1.2. Efectos de matriz..................................................................................18 1.1.3. Estrategias para la fabricación de nanoestructuras: aproximación ascendente ("bottom-up") y descendente ("top-down") .......................19 1.1.4. Modos de crecimiento: auto-ensamblado y auto-organización...........20 1.1.5. Organización de la memoria de tesis...................................................22 1.2. Referencias ......................................................................................................23 Capítulo 2.- Técnicas Experimentales 2.1. Introducción ....................................................................................................29 2.2. Técnicas de crecimiento..................................................................................29 2.2.1. Pulverización catódica..............................................................................30 2.2.2. Ablación láser...........................................................................................32 2.2.3. Sistemas de crecimiento empleados .........................................................33 2.2.3.1. Sistema de crecimiento IMM ...........................................................33 2.2.3.2. Sistema de crecimiento LLN............................................................40 2.3. Técnicas de caracterización estructural........................................................41 2.3.1. Difracción de rayos X ..............................................................................41 2.3.1.1. Bajo ángulo: reflectometría XRR ....................................................45 2.3.1.2. Alto ángulo: difracción de rayos X..................................................46 2.3.2. Microscopía electrónica de transmisión (TEM) .......................................48 2.3.3. Microscopías de barrido de sonda local: STM y AFM ............................50 2.3.3.1. Microscopía de efecto túnel (STM)..................................................50 2.3.3.2. Microscopía de fuerzas atómicas (AFM) ........................................51 2.4. Caracterización magneto-óptica ....................................................................53 2.4.1. El efecto magneto-óptico .........................................................................54 2.4.1.1. Descripción macroscópica del efecto magneto-óptico....................56 2.4.2. Sistema Kerr polar....................................................................................60 2.4.2.1. Formulación óptica .........................................................................63 2.4.2.2. Medida de la rotación Kerr.............................................................67 2.4.2.3. Medida de la elipticidad Kerr .........................................................69 2.4.3. Sistema Kerr transversal...........................................................................70 2.5. Referencias ......................................................................................................72 Capítulo 3.- Efectos de matriz y tamaño en nanopartículas de Co embebidas en matriz dieléctrica 3.1. Introducción ....................................................................................................77 3.2. Nanopartículas de Co embebidas en MgO....................................................78 Contenido viii 3.3. Nanopartículas de Co embebidas en AlN..................................................... 90 3.4. Nanopartículas de Co embebidas en ZrO2 ................................................... 94 3.5. Conclusiones ................................................................................................. 101 3.6. Referencias.................................................................................................... 102 Capítulo 4: Efectos de matriz y de morfología en nanopartículas de Co embebidas en matriz metálica 4.1. Introducción.................................................................................................. 107 4.2. Nanopartículas de Co auto-ensambladas en Al2O3 (0001) con matriz de Al, Au y Pt........................................................................................................... 108 4.2.1. Sistema Co / Al2O3 (0001)..................................................................... 108 4.2.2. Efectos de la temperatura de deposición del Co y del grado de polarizabilidad de la matriz ................................................................... 116 4.2.2.1. Morfología: formación de nanopartículas.................................... 117 4.2.2.2. Anisotropía magnética .................................................................. 121 4.2.2.3. Efectos de la nanoestructuración y de matriz en la actividad magneto-óptica ............................................................................. 125 4.3. Nanopartículas de Co auto-organizadas sobre Au(111) y embebidas en Au. ........................................................................................................................ 133 4.3.2. Obtención de la superficie Au(111)....................................................... 136 4.3.3. Anisotropía magnética........................................................................... 143 4.3.4. Actividad magneto-óptica...................................................................... 146 4.4. Conclusiones ................................................................................................. 149 4.5. Referencias.................................................................................................... 149 Capítulo 5: Nanopartículas de FePd con anisotropía magnética perpendicular 5.1. Introducción.................................................................................................. 155 5.2. Aleaciones binarias L10 ................................................................................ 156 5.3. Nanopartículas de FePd en matriz dieléctrica: sistema MgO / FePd / MgO (001) ............................................................................................................... 163 5.3.1. Influencia de la temperatura de deposición en la estructura y en las propiedades magnéticas y magneto-ópticas........................................... 164 5.3.1.1. Morfología y estructura ................................................................ 164 5.3.1.2. Anisotropía magnética .................................................................. 169 5.3.1.3. Actividad magneto-óptica ............................................................. 174 5.3.2. Influencia del tamaño de las nanopartículas en la estructura y en las propiedades magnéticas......................................................................... 177 5.4. Nanopartículas de FePd en matriz metálica: sistema Pd / FePd / V / MgO (001) Efectos de matriz y tamaño en las propiedades magnéticas y magneto-ópticas de nanopartículas magnéticas Los sistemas de nanopartículas magnéticas embebidas en matrices dieléctricas y metálicas han despertado un gran interés tanto desde el punto de vista de la investigación fundamental como desde el punto de vista tecnológico. Gran parte de este interés es debido a las novedosas propiedades que presentan, como el aumento del momento magnético por átomo, el aumento de la anisotropía magnética, la aparición de resonancias de plasmón superficial y el aumento de la actividad magneto-óptica. Estas propiedades se deben fundamentalmente a efectos derivados de la reducida dimensionalidad y de la matriz que embebe las nanopartículas. El objetivo fundamental de esta tesis es estudiar cómo influyen los efectos derivados de la nanoestructuración y de la naturaleza de la matriz en la actividad magnética y magneto-óptica de nanopartículas magnéticas embebidas en distintas matrices dieléctricas y metálicas. DESARROLLO DEL TRABAJO Y METODOLOGÍA En este trabajo se combinan aspectos experimentales, como la fabricación y caracterización de las nanopartículas, con aspectos más fundamentales, como es el análisis e interpretación de la actividad magnética y magneto-óptica. Para la fabricación de los sistemas de nanopartículas se han utilizado varias técnicas como son la pulverización catódica y la ablación láser. Para estudiar e interpretar la actividad magnética y magneto-óptica de los sistemas es preciso realizar previamente una buena caracterización morfológica y estructural de las nanopartículas, para lo cual se utilizaron un amplio abanico de técnicas entre las cuales se encuentran AFM, TEM y XRD. La caracterización magnética y magneto-óptica se llevó a cabo mediante la obtención de ciclos de histéresis y de espectros de rotación y elipticidad, para lo cual se utilizaron técnicas basadas en el efecto Kerr, en configuración transversal y polar, combinadas con el empleo de la magnetometría SQUID. Por último, para el análisis e interpretación de la actividad óptica y magneto-óptica de los sistemas se utilizaron distintos formalismos, como la aproximación de medios efectivos de Maxwell-Garnett y el formalismo de la matriz de "scattering". En esta tesis se emplean diferentes aproximaciones para investigar el efecto de la nanoestructuración y de la matriz en la respuesta magnética y en la actividad magneto-óptica. Por un lado, se analizan sistemas de nanopartículas de Co embebidas en matrices dieléctricas con distintos índices de difracción, como son AIN, MgO y Zr02, en los cuales se ponen de manifiesto efectos debidos al confinamiento de los electrones dentro de las nanopartículas. Por otro lado, se investigan sistemas de nanopartículas de Co embebidas en distintas matrices metálicas como son Al, Au y Pt, en las cuales se detectan efectos relacionados con la nanoestructuración y con la polarizabilidad magnética de las matrices. Para la obtención los sistemas de nanopartículas magnéticas en matriz metálica se han utilizado dos modos de crecimiento, por un lado auto-ensamblado sobre sustratos de AI2O3(0001) y por otro lado se realizado una aproximación a la auto-organización mediante la preparación de la superficie reconstruida del Au(111) Por último se estudia el desarrollo de ordenamiento químico y de anisotropía magnética perpendicular en nanopartículas de FePd depositadas sobre un sustrato dieléctrico como es el MgO y sobre un metal como es el V. APORTACIONES DE CARÁCTER GENÉRICO O EXPERIMENTAL Se ha encontrado que en nanopartículas magnéticas embebidas en matrices dieléctricas la actividad magneto-óptica disminuye debido a efectos derivados del confinamiento de los electrones dentro de ellas. Se ha comprobado que la actividad magneto-óptica de las nanopartículas puede ser descrita adecuadamente en función su tamaño mediante un modelo de electrones libres variando el tiempo de relajación de los electrones. En sistemas de nanopartículas magnéticas embebidas en matrices metálicas se han puesto de manifiesto efectos derivados de la nanoestructuración y del grado de polarizabilidad de la matriz tanto en la actividad magnética como en la magneto-óptica. Por último, se han obtenido nanopartículas de FePd con alto ordenamiento químico, con alta anisotropía perpendicular y magnéticamente desacopladas. Se ha comprobado que su actividad magneto-óptica está íntimamente relacionada con el grado de ordenamiento químico de las mismas.