Heteroestruturas baseadas em CuO : um magnetoelétrico e multiferróico em altas temperaturas

Abstract

Materiais multiferróicos magnetoelétricos, nos quais as ordens magnéticas e ferroelétricas podem coexistir e interagir, são de fundamental interesse para o desenvolvimento de novas tecnologias, como memórias de múltiplo estado que permitam a escritura elétrica e leitura magnética. Um grande desafio é criar esses materiais que operem a temperatura ambiente e que apresentem intensas mudanças magnéticas (elétricas) pela aplicação de campos elétricos (magnéticos). Até o momento, quatro mecanismos que permitem o acoplamento magnetoelétrico (ME) têm sido reportados, destacando os que envolvem deformações da rede cristalina e o efeito exchange bias (EB, ou viés de troca em português). Nesta tese, foram empregados estes dois mecanismos com o intuito de modificar as propriedades magnéticas por meios elétricos de um filme ferromagnético conectado ao multiferróico CuO por exchange bias e estender o efeito à temperatura ambiente através da engenharia do strain utilizando o piezoelétrico PMN-PT como substrato. Inicialmente, foi feito o estudo do crescimento do filme CuO (sobre substrato de Si) para a obtenção de um filme texturizado e homogêneo que permita obter o efeito EB. Logo, foi estudado o efeito EB em filmes ferromagnéticos (Fe, Co e Ni) crescidos sobre o CuO, observando-se interação de troca interfacial no sistema CuO/Co próximo a 200 K. Garantido o EB, foi crescido o sistema CuO/Co sobre o substrato PMN-PT para o estudo do acoplamento ME, obtendo-se como resultado destacável a extensão do EB até a temperatura de transição TN1 (213 K) do CuO pela aplicação de campos elétricos ex-situ a temperatura ambiente. Foi sugerido que o mecanismo físico que permitiu a extensão foi a competição entre a frustração geométrica e interação magnética na rede comensurada colinear de spins da fase AF1 do CuO, sendo a fase AF2 mais estável. Sumarizando, os resultados obtidos neste trabalho permitiram a obtenção do efeito EB em filmes baseados em CuO e sua extensão até 213 K por meios magnetoelétricos.

Magnetoelectric multiferroic materials, which show coexistence and interaction between magnetic and ferroelectric orders, are of fundamental interest to develop new technologies, as multi-state memories with electric writing and magnetic reading. A great challenge is to produce such room-temperature functional materials with magnetic (electric) properties changing by the application of electric (magnetic) fields. Actually, four magnetoelectric mechanisms have been reported, highlighting the deformation of crystal lattice and the exchange bias (EB) effect among them. The present thesis used the last two mechanisms aiming to change the magnetic properties of a ferromagnetic, film connected to the multiferroic CuO via interfacial exchange interactions, by the application of electric fields, and then extending the effect to room temperature by strain engineering using piezoelectric PMN-PT as substrate. Initially, it was studied the growth of the CuO film (on Si substrate) to obtain a textured and homogeneous film which allows the observation of the EB effect. Then, the latter was studied in different ferromagnetic films (Fe, Co, Ni) deposited on CuO, observing interfacial exchange interaction in the CuO/Co system close to 200 K. Subsequently, this system was deposited on PMN-PT substrate for studying the magnetoelectric coupling, obtaining as the main result the extension of the EB effect to the transition temperature TN1 (213 K) of CuO, applying electric field ex-situ at room temperature. It is suggested that the physics mechanism which allows the expansion is the geometrical and magnetic interaction frustrate competition occurring in the colinear commensurate spin ordering into AF1 phase of CuO, showing the AF2 phase to be more stable. Summarizing, the results obtained in this thesis showed EB effect in heterostructures based on CuO, which was extended until 213 K through magnetoelectric medium.