“Production and magnetic characterization of exchange-coupled magnetic nanostructures”

The increasing demand for miniaturization of magnetic devices triggered an increasing interest for the study of the magnetic properties of elements size confined to the nanoscale; read-heads and nonvolatile magnetic random access memories are both important examples of such technological devices based on the spin valve systems. In this context, this thesis work concerns both the preparation and the study of the properties of the single electrodes of a spin valve, namely bilayer nanostructures grown by dc-magnetron sputtering. The prepared samples consist of two thin magnetic layers of Ni80Fe20 (NiFe) and Ir25Mn75 (IrMn), the ferromagnetic (FM) and antiferromagnetic (AFM) phases, respectively, exchange coupled at their common interface, in form of both continuous films and arrays of nanodots. The exchange coupling results in the appearance of a characteristic unidirectional anisotropy, which is revealed by a horizontal shift of the hysteresis loop, called exchange bias (EB), beside a coercivity enhancement. The EB effect has been studied in continuous IrMn/NiFe bilayers as a function of IrMn thickness, stacking sequence and temperature. An original experimental protocol was devised to further study the magnetothermal behavior of the AFM phase allowing us to access its associated distribution of anisotropy energy barriers. Our experimental observations together with the results from structural investigations, allowed us to propose a precise description of the mechanism to which the AFM interfacial spins take part to provide EB, and that founds its basis on the description of the AFM layer as made of both nanograins and a magnetically disordered interfacial component. Arrays of AFM/FM dots with square and circular shape, and different size, that varies from 1 μm down to 140 nm, have been realized and magnetically characterized to study the temperature dependence of EB in conjunction with spatial confinement effects. In this case, the results obtained convinced us to suggest that, to understand the magnetothermal behavior of nanosized exchange-coupled systems in the light of the proposed model, a comparison between the nanostructure size and a characteristic length of correlation of interfacial spins is to be taken into account.

La crescente richiesta di miniaturizzazione dei dispositivi magnetici ha innescato un crescente interesse nei confronti dello studio delle proprietà magnetiche di elementi confinati lateralmente su scala nanometrica; esempi importanti di queste tecnologie sono le testine di lettura per hard disk e le memorie RAM magnetiche non volatili, entrambi dispositivi che si basano su sistemi a valvola di spin. In questo ambito, questo lavoro di tesi riguarda la preparazione e lo studio delle proprietà dei singoli elettrodi di una valvola di spin, ossia di nanostrutture a bi-strato prodotte mediante “dc-magnetron sputtering”. I campioni preparati consistono di due sottili strati magnetici di Ni80Fe20 (NiFe) e Ir25Mn75 (IrMn), che rappresentano rispettivamente una fase ferromagnetica (FM) ed una antiferromagnetica (AFM), accoppiate alla loro comune interfaccia per interazione di scambio. I bi-strati sono stati studiati sotto forma sia di film continuo che di matrici di nanodot. L'accoppiamento di scambio tra le due fasi implica la comparsa di una caratteristica anisotropia di tipo unidirezionale con verso preferenziale, che si manifesta attraverso il cosiddetto effetto del campo di scambio (EB), ovvero una traslazione orizzontale del ciclo di isteresi, solitamenta accompagnata da un aumento di coercitività del ciclo stesso. L'effetto di EB è stato studiato in bi-strati continui IrMn/NiFe in funzione dello spessore dello strato di IrMn, al variare dell'ordine degli strati, e della temperatura. Un protocollo di misura originale è stato sviluppato per studiare ulteriormente il comportamento magneto termico della fase AFM, rendendo possibile la rilevazione della distribuzione delle barriere energetiche di anisotropia di tale fase. Le nostre osservazioni sperimentali insieme ai risultati ottenuti attraverso analisi di tipo strutturale, ci hanno permesso di proporre una precisa descrizione del meccanismo secondo cui i momenti magnetici (spin) della fase AFM all'interfaccia contribuiscono a determinare l'effetto di EB. Tale meccanismo fonda le sue basi nella descrizione dello strato AFM come costituito sia di nanograni che di una componente magnetica disordinata all'interfaccia. Diverse matrici di dot a bi-strato di forma quadrata e circolare, e taglia variabile da 1 μm fino a 140 nm, sono state realizzate e caratterizzate magneticamente per studiare l'influenza del confinamento spaziale sull'efffetto di EB. In questo caso, i risultati ottenuti ci hanno convinto a suggerire come, per comprendere il comportamento magneto termico dei sistemi accoppiati per interazione di scambio di taglia nanometrica, alla luce del modello proposto, sia necessario prendere in considerazione quale relazione sussista tra la taglia della nanostuttura ed una una caratteristica lunghezza di correlazione magnetica degli spin all'interfaccia.