Development of perpendicular magnetic anisotropy in (Nd,Pr)FeB thin films

Abstract

Los imanes permanentes juegan un papel fundamental en el desarrollo de tecnologías de una gran relevancia para la sociedad actual. Están presentes en una amplia variedad de sectores entre los que se encuentran el transporte, la electrónica o la industria de generación de energía. Además, las potenciales aplicaciones de imanes permanentes integrados en dispositivos en la micro y nano escala son ilimitadas. Dentro de la comunidad científica, se siguen dedicando muchos esfuerzos a la optimización de este tipo de materiales que pueden conducir a una nueva generación de imanes permanentes. Imanes con rendimientos y eficiencias mejorados, más ligeros y a su vez teniendo en consideración otros factores como el impacto en el medio ambiente y condicionantes geoestratégicos. Entre todos los imanes permanentes, los compuestos basados en tierras raras destacan por su excepcional comportamiento magnético. Tanto el Nd2Fe14B como Pr2Fe14B presentan una fuerte anisotropía magnética y alta imanación de saturación que se combinan con grandes coercitividades. Esta Tesis se enfoca en el desarrollo de láminas ultradelgadas y delgadas de NdFeB y láminas delgadas de PrFeB con el objetivo de obtener alta coercitividad y anisotropía magnética, prestando atención a características fundamentales de los materiales sujetos de estudio. El manuscrito se divide en cuatro capítulos fundamentales. El capítulo 1 contextualiza el trabajo presentado en la Tesis y hace un repaso general sobre el papel que los imanes permanentes empeñan en la sociedad. Se explican conceptos clave relacionados con el magnetismo y las láminas delgadas y se exponen las principales características de los dos materiales a estudiar: Nd2Fe14B y Pr2Fe14B. En el capítulo 2 se detallan las técnicas experimentales utilizadas para el desarrollo de la tesis, divididas en: técnicas de síntesis y caracterización in situ, ex situ y experimentos con radiación sincrotrón. El capítulo 3 se centra en láminas delgadas y ultradelgadas de NdFeB. La primera parte del capítulo explora el crecimiento de láminas ultradelgadas de NdFeB (de menos de 10 nm) mediante epitaxia de haces moleculares (molecular beam epitaxy) y el impacto que la elección de la capa intermedia o buffer layer tiene en la estructura, morfología, estructura electrónica y comportamiento magnético. En la segunda parte, se describe el crecimiento de láminas de NdFeB fabricadas mediante pulverización catódica asistida por magnetrón (magnetron sputtering). Se evalúa el rango de espesores en el cual las propiedades de imán permanente emergen (20-40 nm) en términos de estructura cristalina, distribución elemental y estequiometría y morfología superficial. Adicionalmente, se induce la modificación de la temperatura de reorientación de espín y se lleva a cabo un análisis estructural y magnético a baja temperatura. El capítulo 4 está dedicado a láminas de PrFeB crecidas mediante magnetron sputtering. Se divide en dos bloques. El primer bloque explora el impacto que diferentes rutas de crecimiento tienen en la obtención de alta coercitividad en esas láminas. Se lleva a cabo la optimización de parámetros de síntesis como la temperatura del sustrato durante el crecimiento o el tiempo de calentamiento posterior a la síntesis. El segundo bloque analiza el efecto que diferentes sustratos tienen en el crecimiento de láminas de PrFeB de distintos espesores (20-100 nm). Se discute con detenimiento la correlación entre la estructura, textura, morfología y distribución elemental con las propiedades magnéticas. Finalmente, se exponen las conclusiones generales de la tesis y se explican brevemente las líneas de trabajo futuro.