Fabricação de nanoestruturas em filme de granada de ítrio e ferro sobre substrato de silício para estudo de fenômenos de spintrônica

Abstract

Este trabalho tem como objetivo obter filmes nanoestruturados de granada de ítrio e ferro (YIG) por métodos químicos para estudar fenômenos de spintrônica. Considerando as diferenças estruturais entre o YIG e o substrato de silício (Si), foram buscadas as condições ideais para obter filmes de alta qualidade em termos de estrutura, morfologia e propriedades magnéticas. O método de decomposição metalorgânica (MOD) foi usado para produzir os filmes. Soluções precursoras com diferentes concentrações de polivinilpirrolidona (PVP) foram caracterizadas por termogravimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varredura (DTA). Com base nos resultados e na consideração da interferência da concentração de PVP na formação de poros, foi escolhida a concentração de 5% de PVP para a solução precursora dos filmes de YIG. Todos os parâmetros de tratamento térmico, como temperatura, tempo de patamar e taxa de aquecimento/resfriamento, foram determinados com base nos ciclos de pirólise, nucleação e cristalização. Os filmes foram analisados em relação à sua estrutura por difração de raios X (DRX) e espectroscopia Raman; a morfologia por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM); e as propriedades magnéticas, por ressonância ferromagnética (FMR). Também foi realizado um estudo comparativo da dependência das propriedades estruturais e magnéticas em filmes de YIG de múltiplas camadas, com o objetivo de avaliar a influência da espessura dos filmes nas propriedades magnéticas. Foram analisados dois grupos de amostras, usando diferentes metodologias: múltiplas deposições subsequentes e múltiplas deposições intercaladas por tratamento térmico. O primeiro grupo apresentou melhores resultados em termos de morfologia, propriedades estruturais e magnéticas. No entanto, os melhores resultados foram obtidos para filmes de YIG com apenas uma única camada. Portanto, o estudo foi redirecionado para filmes em camada única de deposição. Um novo grupo de amostras foi usado para um estudo comparativo, variando a concentração de PVP entre 2% e 5%, o processo de limpeza do substrato e a temperatura de cristalização (750°C e 850°C). Filmes produzidos com uma solução precursora de 2% de PVP apresentaram fase de perovskita a 750°C, enquanto a fase desejada de YIG foi obtida a 850°C. No entanto, os melhores resultados foram observados para filmes produzidos com uma solução precursora de 5% de PVP. Uma análise de ângulo de contato mostrou uma maior interação da solução precursora com o substrato de Si quando a camada de óxido nativo foi mantida durante o processo de limpeza do substrato, em ambas as temperaturas. Concluiu-se que as melhores condições foram obtidas para filmes cristalizados a 850°C, apresentando ótima densificação, espessura de 179,4 nm, com Rq de 0,272 nm e largura de linha de 93,6 Oe. Nanopilares quadrados e circulares ocos e não ocos foram litografados por feixe de íons (FIB), se tornando uma perspectiva para estudos de spintrônica. As melhores condições de deposição e tratamento térmico, reconhecidas durante a execução deste trabalho, foram utilizadas na produção de filmes sobre substrato de gadolínio e gálio (GGG), sendo obtida uma largura de linha em FMR de 71,5 Oe.