Seminaris de Ciència de Materials per als graus d’Enginyeria Electrònica Industrial i Automàtica, i Enginyeria Elèctrica: I. Propietats magnètiques i elèctriques

Aquest text pretén ser una guia útil per als estudiants dels Graus en Enginyeria Mecànica, en Enginyeria electrònica Industrial i Automàtica, i en Enginyeria Elèctrica. El document s’estructura en vuit temes organitzats en tres blocs. El primer bloc és una introducció a les propietats magnètiques dels materials i les seves aplicacions. El segon bloc versa sobre les propietats elèctriques dels materials i, finalment, el tercer bloc és una breu descripció de la superconductivitat. Per a cada tema s’estableixen les competències específiques que s’han d’assolir, es desenvolupen de forma esquemàtica els continguts i s’adjunten exemples resolts de problemes. Al final de cada tema s’inclou un resum dels continguts i al final de cada bloc una col·lecció de qüestions i problemes. Aquests apunts pretenen ser una breu recopilació dels continguts bàsics de l’assignatura. Al final dels apunts, trobareu una bibliografia recomanada per tal de desenvolupar exhaustivament la matèria

Nanopartícul·les core-shell estabilitzades en polímer amb propietats calítiques i bactericides medioambientalment segure

Aquest projecte de doctorat és un treball interdisciplinari adreçat a l’obtenció de nous nanocompòsits (NCs) funcionals sintetitzats a partir de materials polimèrics bescanviadors d’ions que són modificats amb nanopartícules metàl•liques (NPMs) de diferent composició. Els materials desenvolupats s’avaluen en funció de dues possibles aplicacions: 1) com a catalitzadors de reaccions orgàniques d’interès actual (NCs basats en pal•ladi) i, 2) la seva dedicació a aplicacions bactericides en el tractament d’aigües domèstiques o industrials (NCs basats en plata). El desenvolupament de nanomaterials és de gran interès a l’actualitat donades les seves especials propietats, l’aprofitament de les quals és la força impulsora per a la fabricació de nous NCs. Les nanopartícules metàl•liques estabilitzades en polímer (Polymer Stabilized Metal Nanoparticles, PSNPM) s’han preparat mitjançant la tècnica in-situ de síntesi intermatricial (Inter-matrix synthesis, IMS) que consisteix en la càrrega seqüencial dels grups funcionals de les matrius polimèriques amb ions metàl•lics, i la seva posterior reducció química dins de la matriu polimèrica de bescanvi iònic. L’estabilització en matrius polimèriques evita l’agregació entre elles (self-aggreagtion), un dels principals problemes coneguts de les NPs. Pel desenvolupament d’aquesta metodologia, s’han emprat diferents tipus de matrius polimèriques de bescanvi iònic: membrana Sulfonated PolyEtherEtherKetone, SPEEK, així com fibres sintètiques basades en polypropilè amb diferents tipus de grups funcionals, que ens permeten el seu ús com a filtres en la desinfecció de solucions aquoses o com a material catalitzador. Durant el projecte s’ha anat avançant en l’optimització del material nanocomposite final per a les aplicacions d’interès, en quant activitat i funcionalitat de les nanopartícules i estabilitat del nanocomposite. Així, s’ha optimitzat la síntesi de NPs estabilitzades en resines de bescanvi iònic, realitzant un screening de diferents tipus de resines i la seva avaluació en aplicacions industrials d’interès.

Síntesi i propietats de vidres metàl•lics massissos i materials nanocomposites basats en Fe per aplicacions com a materials magnètics tous

Estudi realitzat a partir d’una estada a l’ Institut für Komplexe Materialien, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, entre 2010 i 2011. S'ha explorat l'efecte de les condicions i influència dels elements d'aleació en la capacitat de formació de vidre, l'estructura i les propietats tèrmiques i magnètiques de vidres metàl•lics massissos i materials nanocristal•lins en base Fe. La producció d'aquests materials en forma de cintes de unes 20 micres de gruix ha estat àmpliament estudiada i s'ha vist que presenten unes propietats excel•lents com a materials magnètics tous. El propòsit general d'aquest projecte era l'obtenció de composicions òptimes amb alta capacitat de formar vidre i amb excel•lents propietats magnètiques com a materials magnètics tous combinat amb bones propietats mecàniques. El projecte prenia com a punt de partida l'aliatge [FeCoBSi]96Nb4 ja que és el que presenta millor capacitat de formar vidre i presenta una alta imantació de saturació i baix camp coercitiu. S'ha fet un estudi dels factors fonamentals que intervenen en la formació de l'estat vitri. La composició abans esmentada ha estat variada amb l'addició d'altres elements per estudiar com afecten aquests nous elements a les propietats, la formació de vidre i l'estructura dels aliatges resultants amb l'objectiu de millorar-ne les propietats magnètiques i la capacitat de formació de vidre. Entre altres s'ha usat el Zr, Mo, Y i el Gd per millorar la formació de vidre; i el Co i el Ni per millorar les propietats magnètiques a alta temperatura. S'han estudiat les relacions entre la capacitat de formació de vidre i la seva estabilitat tèrmica, la resistència a la cristal•lització i la estructura de l'aliatge resultant després del procés de solidificació. Per aquest estudi s'han determinat els mecanismes que controlen la transformació i la seva cinètica així com les fases que es formen durant el tractament tèrmic permetent la formulació de models predictius.

Híbridos orgánico-inorgánico a escala nanométrica

Proyecto de investigación de una estancia en el Centro de Física Aplicada y Tecnologia Avanzada de la Universidad Nacional Autónoma de México, Méjico, entre junio y septiembre del 2007. Diseño de nuevos materiales con aplicaciones avanzadas mediante la mezcla íntima de materiales nanométricos (nanopartículas y macromoléculas). El tipo de posibles aplicaciones de tales materiales van desde la fotovoltaica, a la magnetorresistencia (mezcla de polímeros conductores y nanopartículas magn-eticas –objetivo 1 de éste proyecto-), la óptica, la Catálisis, y el drug delivery (utilizando las nanopartículas adheridas a la cápsula de liberación como marcadores y como localizadores mediante campos electromagnéticos, controlando su permeabilidad a voluntad –objetivo 2- de éste proyecto ) entre otras.

Caracterización de materiales en banda W

Para medir los coeficientes de transmisión y reflexión, S21 y S11, de diferentes materiales o muestras planas, se usa un sistema de toma de medidas en espacio libre operando banda W (75 – 110 GHz). Usando estos parámetros, S21 y S11, podemos calcular la permitividad dieléctrica relativa compleja (Er ) y la permeabilidad magnética relativa compleja (μr) mediante un proceso llamado NRW (Nicolson-Ross-Weir). El sistema para medir consiste en dos antenas de bocina, una transmisora y otra receptora, dos espejos con los que obtenemos una onda plana para medir las propiedades del material y un ordenador o dispositivo que calcula los resultados. Este dispositivo requiere de calibración para la obtención de resultados óptimos. Dicho sistema se puede simular de manera ideal con un software llamado ADS (Assistance Design System) para el estudio y comparación de grosores, permitividades dieléctricas relativas y permeabilidades magnéticas relativas de los materiales en función de la frecuencia.

Growth and characterization of CoO ultra thin films

In this report we present the growth process of the cobalt oxide system using reactive electron beam deposition. In that technique, a target of metallic cobalt is evaporated and its atoms are in-flight oxidized in an oxygen rich reactive atmosphere before reaching the surface of the substrate. With a trial and error procedure the deposition parameters have been optimized to obtain the correct stoichiometry and crystalline phase. The evaporation conditions to achieve the correct cobalt oxide salt rock structure, when evaporating over amorphous silicon nitride, are: 525 K of substrate temperature, 2.5·10-4 mbar of oxygen partial pressure and 1 Å/s of evaporation rate. Once the parameters were optimized a set of ultra thin film ranging from samples of 1 nm of nominal thickness to 20nm thick and bulk samples were grown. With the aim to characterize the samples and study their microstructure and morphology, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, electron diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy and quasi-adiabatic nanocalorimetry techniques are utilised. The final results show a size dependent effect of the antiferromagnetic transition. Its Néel temperature becomes depressed as the size of the grains forming the layer decreases.

Inducció local de magnetisme mitjançant irradiació d'ions a través de màscares

Degut a la gran demanda tecnològica, actualment hi ha un gran interès en desenvolupar medis magnètics amb entitats ferromagnètiques de dimensions nanomètriques. Aquesta demanda promou la investigació i el desenvolupament de nous materials i processos de fabricació que permetin controlar d’una manera més precisa les propietats magnètiques i estructurals. Entre els mètodes de litografia convencionals (per exemple deposició física a través de màscares, deposició química en fase vapor i electrodeposició), recentment s’ha demostrat que la irradiació amb ions a través de màscares pre‐litografiades, sembla ser un bon mètode per a la fabricació d’estructures ferromagnètiques de l’ordre dels nanòmetres. Aquesta tècnica pot ser aplicada per aprofitar la transició paramagnètica‐ferromagnètica que presenten alguns materials al ser desordenats estructuralment (per exemple FeAl, FePt3, Ni3Sn2). En el treball que es presenta a continuació s’utilitza l’aliatge Fe60Al40 per a fabricar estructures ferromagnètiques embegudes en una matriu paramagnètica mitjançant irradiació amb ions d’argó a través d’una membrana de polimetil metacrilat (PMMA) prèviament litografiada amb feixos d’electrons (EBL). La fabricació d’aquest sistema té com a objectiu d’estudiar l’evolució de la morfologia i el gruix de PMMA (a partir de SEM i AFM) i del comportament magnètic de les estructures fabricades (MFM i MOKE), quan és irradiat consecutivament a diferents energies. Per a completar l’estudi s’han utilitzat simulacions per a determinar les condicions d’irradiació (TRIM), com per a una millor comprensió dels resultats (simulacions micromagnètiques). El contingut de la memòria inclou una breu introducció històrica i conceptual sobre el magnetisme. A continuació s’exposen les tècniques necessàries per a la fabricació, preparació i caracterització de la mostra. Finalment es presenta una discussió dels resultats obtinguts i les conclusions.

Reversible ferromagnetic switching in ZnO:(Co,Mn) powders

We report here on the magnetic properties of ZnO:Mn- and ZnO:Co-doped nanoparticles. We have found that the ferromagnetism of ZnO:Mn can be switched on and off by consecutive low-temperature annealings in O2 and N2, respectively, while the opposite phenomenology was observed for ZnO:Co. These results suggest that different defects (presumably n-type for ZnO:Co and p-type for ZnO:Mn) are required to induce a ferromagnetic coupling in each case. We will argue that ferromagnetism is likely to be restricted to a very thin, nanometric layer at the grain surface. These findings reveal and give insight into the dramatic relevance of surface effects to the occurrence of ferromagnetism in ZnO-doped oxides.

Nanocrystalline M-type hexaferrite powders: preparation, geometric and magnetic propertiess

Co-Ti-Sn-Ge substituted M-type bariumhexaferrite powders with mean grain sizes between about 10 nm and about 1 ¿m and a narrow size distribution were prepared reproducibly by means of a modified glass crystallization method. At annealing temperatures between 560 and 580°C of the amorphous flakes nanocrystalline particles grow. They behave superparamagnetically at room temperature and change into stable magnetic single domains at lower temperatures. The magnetic volume of the powders is considerably less than the geometric one. However, the effective anisotropy fields are larger by a Factor of two to three.

Cation distribution and magnetization of BaFe12-2xCoxSnxO19 (x=0.9,1.28) single crystals

The distribution of Sn4+ cations within the five crystallographic sites of the magnetoplumbite (M) ‐like compound BaFe12−2xCoxSnxO19 has been analyzed using single‐crystal x‐ray‐diffraction data. The species Fe3+ and Co2+ cannot be distinguished using x rays because of their very similar atomic numbers; however, the calculation of the apparent valencies for the different sites allows an insight into the Co2+ cation segregation. The use of previous data from neutron powder diffraction allows a precise picture of the cation distribution, which indicates a pronounced site selectivity for both Sn4+ and Co2+ cations. The Sn4+ cations prefer the 4f2 sites and to a much lower extent the 12k sites, while they do not enter the octahedral 2a sites at all. Co2+ cations are distributed among tetrahedral and octahedral sites displaying a clear preference for the tetrahedral 4f1 sites. Magnetic measurements indicate that the compound still exhibits uniaxial anisotropy with the easy direction parallel to the c axis. Nevertheless, the magnetic structure shows a considerable degree of noncolinearity. A strong reduction of the magnetic anisotropy regarding that of the undoped compound is also detected.

Perpendicular magnetic anisotropy in chemically disordered FePd-FeV(100) alloy thin films

We find that the use of V(100) buffer layers on MgO(001) substrates for the epitaxy of FePd binary alloys yields to the formation at intermediate and high deposition temperatures of a FePd¿FeV mixed phase due to strong V diffusion accompanied by a loss of layer continuity and strong increase of its mosaic spread. Contrary to what is usually found in this kind of systems, these mixed phase structures exhibit perpendicular magnetic anisotropy (PMA) which is not correlated with the presence of chemical order, almost totally absent in all the fabricated structures, even at deposition temperatures where it is usually obtained with other buffer layers. Thus the observed PMA can be ascribed to the V interdiffusion and the formation of a FeV alloy, being the global sample saturation magnetization also reduced.

Conduction mechanisms and charge storage in Si-nanocrystals metal-oxide-semiconductor memory devices studied with conducting atomic force microscopy

In this work, we demonstrate that conductive atomic force microscopy (C-AFM) is a very powerful tool to investigate, at the nanoscale, metal-oxide-semiconductor structures with silicon nanocrystals (Si-nc) embedded in the gate oxide as memory devices. The high lateral resolution of this technique allows us to study extremely small areas ( ~ 300nm2) and, therefore, the electrical properties of a reduced number of Si-nc. C-AFM experiments have demonstrated that Si-nc enhance the gate oxide electrical conduction due to trap-assisted tunneling. On the other hand, Si-nc can act as trapping centers. The amount of charge stored in Si-nc has been estimated through the change induced in the barrier height measured from the I-V characteristics. The results show that only ~ 20% of the Si-nc are charged, demonstrating that the electrical behavior at the nanoscale is consistent with the macroscopic characterization.

Structural and functional characterization of (110)-oriented epitaxial La2/3Ca1/3MnO3 electrodes and SrTiO3 tunnel barriers

La2/3Ca1/3MnO3 (LCMO) films have been deposited on (110)-oriented SrTiO3 (STO) substrates. X-ray diffraction and high-resolution electron microscopy reveal that the (110) LCMO films are epitaxial and anisotropically in-plane strained, with higher relaxation along the [1¿10] direction than along the [001] direction; x-ray absorption spectroscopy data signaled the existence of a single intermediate Mn3+/4+ 3d-state at the film surface. Their magnetic properties are compared to those of (001) LCMO films grown simultaneously on (001) STO substrates It is found that (110) LCMO films present a higher Curie temperature (TC) and a weaker decay of magnetization when approaching TC than their (001) LCMO counterparts. These improved films have been subsequently covered by nanometric STO layers. Conducting atomic-force experiments have shown that STO layers, as thin as 0.8 nm, grown on top of the (110) LCMO electrode, display good insulating properties. We will show that the electric conductance across (110) STO layers, exponentially depending on the barrier thickness, is tunnel-like. The barrier height in STO (110) is found to be similar to that of STO (001). These results show that the (110) LCMO electrodes can be better electrodes than (001) LCMO for magnetic tunnel junctions, and that (110) STO are suitable insulating barriers.

Cationic Diffusion in La2/3Ca1/3MnO3 Thin Films Grown on LaAlO3 (001) Substrates.

Microstructural features of La2/3Ca1/3MnO3 layers of various thicknesses grown on top of 001 LaAlO3 substrates are studied by using transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy. Films are of high microstructural quality but exhibit some structural relaxation and mosaicity both when increasing thickness or after annealing processes. The existence of a cationic segregation process of La atoms toward free surface has been detected, as well as a Mn oxidation state variation through layer thickness. La diffusion would lead to a Mn valence change and, in turn, to reduced magnetization.

Strain-induced stabilization of new magnetic spinel structures in epitaxial oxide heterostructures.

We report here on the growth of NiFe2O4 epitaxial thin films of different thickness (3 nm ¿ t ¿ 32 nm) on single crystalline substrates having spinel (MgAl2O4) or perovskite (SrTiO3) structure. Ultrathin films, grown on any of those substrates, display a huge enhancement of the saturation magnetization: we will show that partial cationic inversion may account for this enhancement, although we will argue that suppression of antiparallel collinear spin alignment due to size-effects cannot be excluded. Besides, for thicker films, the magnetization of films on MAO is found to be similar to that of bulk ferrite; in contrast, the magnetization of films on STO is substantially lower than bulk. We discuss on the possible mechanisms leading to this remarkable difference of magnetization.