Heterostructures based on L10-FePt for spintronics and magnetic recording.

Abstract

This Thesis is focused on the design, growth and characterization of thin films and heterostructures, based on FePt, with potential applications in magnetic recording and spintronics, where the nanometric scale phenomena play a important role. With this aim, heterostructures with peculiar properties like high perpendicular anisotropy, exchange-spring effect, magnetoresistance and spin polarization have been developed. The studied systems have been produced mainly by means of physical deposition techniques, such as radio frequency sputtering and pulsed laser deposition. The structural, morphological and magnetic studies have been performed through a variety of techniques, allowing a constant feedback with the design and preparation of materials. This work has involved a considerable effort to reach a better understanding of various and innovative scientific aspects. The study of new nanocomposites recording media, based on FePt, has highlighted the dependence of the exchange-spring behavior on the soft magnetic layer properties. For example, varying its thickness and chemical com- position it is possible to change the effect of exchange interaction between hard and soft layers. Furthermore, the lattice mismatching with the substrate, which influences the morphology and chemical order of the nanostructure, can be exploited to tailor the magnetic behavior. Moreover, ion irradiation on L10-FePt thin film has been studied as possible technique to develop exchange-spring media with suitable characteristics closely defined by the irradiation parameters. The objective is to study innovative per- pendicular recording media that exploit the exchange-spring interaction between a hard and soft magnetic phase, in bilayers or graded systems, to increase the storage density in future hard disks. In spintronics, the original choice of ferromagnetic electrodes (i.e., L10-FePt and Fe3O4) and their magnetization configuration in the heterostructure for magnetic tunnel junctions (MTJs) has led to deepen the extrinsic properties effects on the electrical transport through the tunnel barrier and on tunnel magnetic resistance. The inverse tunneling effect, as expected for Fe3O4/MgO interface, has been studied as a function of film thickness and junction area. The perpendicular direction between the easy magnetization axes of the electrodes gives rise to a suitable configuration in spin-torque devices. The first part of my work (chapter 3) starts describing the optimization of thin films growth conditions, with emphasis on L10-FePt films grown on MgO and SrTiO3 substrates, studying the correlation among morphology, magnetism, crystalline order and substrate lattice mismatch. Chapter number 4 describes the next implementation of FePt layers with optimized properties, tailored interfaces and morphology in nanos- tructures for future recording media. Moreover, a numerical micromagnetic model is proposed to describe the reversal magnetization mechanism in these systems. The final chapter (number 5) is focused to the growth and characterization of heterostructures, based on L10-FePt, and their lithography process in order to obtain MTJs with new characteristics for application in spintronics. The first chapter presents some basic concepts of magnetism, in order to understand the underlying physics and a brief summary of the employed experimental techniques is given in the second chapter.

Questa tesi è incentrata sulla crescita, progettazione e caratterizzazione di film sottili ed eterostrutture, basati su L10-FePt, con potenziali applicazioni nella registrazione magnetica e spintronica, dove i fenomeni su scala nanometrica giocano un ruolo importante. Con questo obiettivo, sono state sviluppate eterostrutture con caratteristiche peculiari come elevata anisotropia perpendicolare,comportamento tipo exchange-spring, magnetoresistenza e polarizzazione di spin. I sistemi studiati sono stati prodotti principalmente per mezzo di tecniche di deposizione fisica, come lo sputtering a radio frequenza e deposizione laser pulsata. Studi morfologici e magnetici sono stati eseguiti attraverso una varietà di tecniche, permettendo un feedback costante con la progettazione e la preparazione dei materiali. Questo lavoro ha comportato un notevole sforzo per raggiungere una migliore comprensione dei vari aspetti scientifici e tecnologici emersi. Lo studio dei nuovi supporti di registrazione nanocompositi ha messo in evidenza la dipendenza dello scambio dalle proprietà dello strato magneticamente soft.Per esempio, variando il suo spessore e la percentuale in Fe, è possibile cambiare l'effetto di interazione di scambio tra gli strati hard e soft. Anche il misfit con il substrato, che influenza la morfologia e l'ordine chimico della nanostruttura, può essere sfruttato per cambiare il comportamento magnetico. Inoltre, l'irraggiamento con ioni Ar di un film sottile di L10-FePt è stato studiato come possibile tecnica per lo sviluppare di un sistema exchange-spring graded, con caratteristiche strettamente definite dai parametri d'irradiazione. L'obiettivo è quello di studiare un innovativo materiale per la registrazione perpendicolare che sfruttano lo scambio tra le due fasi magnetiche, in bilayers o sistemi graded, possa aumentare la densità di memorizzazione dei futuri hard disk. Nella spintronica, la scelta originale di elettrodi ferromagnetici (ad esempio, L10-FePt e Fe3O4) e la loro direzione di magnetizzazione sfruttati in eterostrutture per tunnel magnetic junction (MTJ), ha permesso di approfondire le proprietà di trasporto attraverso la barriera tunnel in sistemi a magnetizzazione perpendicolare. L'effetto inverso tunneling, come previsto per interfacce tipo Fe3O4/MgO, è stato studiato in funzione dello spessore degli strati e l'area di giunzione. La direzione perpendicolare tra gli assi di facile magnetizzazione degli elettrodi dà luogo a una configurazione adatta a dispositivi tipo spin-torque. La prima parte del mio lavoro (capitolo 3) descrive l'ottimizzazione delle condizioni di crescita di film sottili, con particolare attenzione ai films di L10-FePt cresciuti su substrati di MgO e SrTiO3, studiando la correlazione tra la morfologia, il magnetismo, l'ordine strutturale e il misfit. Nel capitolo 4 è descritta l'utilizzo successiva di strati FePt con proprietà, interfacce e morfologia ottimizzate, in nanostrutture ideali per il magnetic recording. Inoltre, un modello numerico micromagnetico è stato proposto per descrivere il meccanismo di inversione di magnetizzazione in questi sistemi. Il capitolo finale (numero 5) è focalizzata sulla crescita e caratterizzazione di eterostrutture, basate su L10-FePt, e il loro processo di litografia per ottenere MTJ con caratteristiche nuove per applicazioni in spintronica. Il primo capitolo presenta alcuni concetti di base del magnetismo e un breve riassunto delle tecniche impiegate sperimentale è dato fornito nel secondo capitolo.