Síntese e caracterização de filmes de Granadas de Túlio e Ferro (TIG) crescidas por RF-Sputtering para aplicações em spintrônica

Abstract

A spintrônica representa um campo emergente e crucial para o avanço de tecnologias inovadoras, com foco na manipulação das propriedades de spin dos elétrons para armazenamento e transporte de informação. A criação de heteroestruturas magnéticas combinando materiais não magnéticos (NM) com isolantes ferrimagnéticos (FMI) fornece uma plataforma simples e versátil para explorar fenômenos spintrônicos. As Granadas de Ferro e Terras Raras (RIGs) surgem como materiais promissores para serem utilizados como FMI, devido à sua constante de amortecimento intrínseca baixa, ideal para estudos de transporte de spin. Por outro lado, as Granadas de Ferro e Túlio (TIG) com Anisotropia Perpendicular Magnética (PMA) demonstram potencial significativo para aplicações em estudos que exploram efeitos de spin, devido à sua constante de magnetostrição negativa, alta qualidade estrutural e magnética. Neste trabalho, iremos apresentar os resultados relacionados ao processo de fabricação e caracterização de filmes de TIG em substrato de GGG (Gd3Ga5O12) com orientação (111) depositados por RF- sputtering à temperatura ambiente, seguido por um tratamento térmico pós crescimento em atmosfera reativa de oxigênio. Este processo teve como principal objetivo compreender como as condições de deposição e tratamento térmico influenciam nas propriedades morfológicas e cristalinas das amostras. Os resultados de difração de raios X mostraram a formação de filme monocristalino de TIG (111) somente após o tratamento térmico. A Microscopia de Força Atômica (AFM) revelou uma superfície granular com rugosidade média de ˜ 1,2 nm. As caracterizações por magnetometria de amostra vibrante (VSM) e por Ressonância Ferromagnética revelaram propriedades de histerese, campo de ressonância, e largura de linha compatíveis com as esperadas para filmes de TIG monocristalinos. A qualidade cristalina, morfológica e propriedades magnéticas favoráveis, tornam os filmes de TIG produzidos neste trabalho promissores para o desenvolvimento de dispositivos spintrônicos. Palavras-chave: tig; sputtering; materiais isolantes ferrimagnéticos.Spintronics represents an emerging and crucial field for the advancement of innovative technologies, focusing on the manipulation of the spin properties of electrons for information storage and transport. The creation of magnetic heterostructures combining non-magnetic (NM) materials with ferrimagnetic insulators (FMI) provides a simple and versatile platform to explore spintronic phenomena. Rare-Earth Iron Garnets (RIGs) emerge as promising materials to be used as FMI due to their low intrinsic damping constant, making them ideal for spin transport studies. In contrast, Thulium Iron Garnets (TIG) with Perpendicular Magnetic Anisotropy (PMA) demonstrate significant potential for applications in studies that explore spin effects, due to their negative magnetostriction constant, high structural, and magnetic quality. In this work, we present the results related to the fabrication and characterization process of TIG films on a GGG (Gd3Ga5O12) substrate with (111) orientation, deposited by RF-sputtering at room temperature, followed by a post-growth heat treatment in a reactive oxygen atmosphere. The main goal of this process was to understand how deposition and heat treatment conditions influence the morphological and crystalline properties of the samples. X-ray diffraction results showed the formation of a TIG (111) single-crystal film only after the heat treatment. Atomic Force Microscopy (AFM) revealed a granular surface with an average roughness of ˜ 1.2 nm. The characterizations by vibrating sample magnetometry (VSM) and ferromagnetic resonance revealed hysteresis properties, resonance field, and linewidth compatible with those expected for single-crystal TIG films. The crystalline and morphological quality, as well as favorable magnetic properties, make the TIG films produced in this work promising for the development of spintronic devices. Keywords: tig; sputtering; ferrimagnetic insulators materials.