Microscopia Kerr e PEEM com resolu

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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

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Sumário

• Introdução e motivações
• Microbobinas
• Geradores de corrente pulsada
• Microscopia Kerr com resolução temporal
• Microscopia PEEM com resolução temporal
• Conclusões e Perspectivas

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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)

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As microbobinas

• Campo perpendicular

• Eletrodeposição de 30µm de Cobre sobre Si
• ? 50 ?m (L lt 1nH)
• 14mT/A
• Bmax 50 T superfície
• Bmax 70 T interior

H
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As microbobinas
isolante
Cu

• Campo planar

I

• 25µm Cobre sobre epoxi ou Kapton
• 5 x 0,5 mm (L3 nH)
• 0,7 a 1,2 mT/A
• Bmax 2 T interior

amostra
H
I
X-ray / Laser
0,5mm
H
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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 ? V100 V (sem contar as
  perdas ohmicas nas resistências do circuito)

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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

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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)

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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 lt 500 kHz
• Potência média lt 50 W

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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

• tr800 ps

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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

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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 _at_ 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
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Microscopia Kerr com resolução temporal
50 µm
180 µm
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Microscopia Kerr com resolução temporal

• Dinâmica dominada pela propagação de domínios
• Velocidade da parede de domínio V 48 m/s ?
  µw320 m/T.s
• Propagação a campo fraco V µw(H-Hc) HltH0 ?
  µw cte
• Mobilidade a campo fraco µw1160 m/T.s ? H0 ltlt
  150mT
• Observa-se 2 velocidades médias de propagação
  após o pulso
• Oscilação após o pulso "bubble overshoot"

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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)

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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

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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

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Microscopia PEEM com resolução temporal

• Sistema estudado
• "spin valve-like trilayer"
• Ni80Fe20 5 nm/Cu 10 nm/Co 5 nm depositado
  em substrato de Si111 "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

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Microscopia PEEM com resolução temporal

• Seqüência de imagens...

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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).

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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

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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