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Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais
CORRELAÇÃO ENTRE A MORFOLOGIA E O TRANSPORTE DE ELÉTRONS EM
FILMES FINOS DE FERRO
Bárbara Canto dos Santos
Dissertação de Mestrado
Porto Alegre, agosto 2010.
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Universidade Federal do Rio Grande do Sul
Programa de Pós-Graduação em Ciência dos Materiais
CORRELAÇÃO ENTRE A MORFOLOGIA E O TRANSPORTE DE ELÉTRONS EM
FILMES FINOS DE FERRO
1
Bárbara Canto dos Santos
Dissertação realizada sob a orientação do Prof.
Dr. João Edgar Schmidt, apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Ciências dos Materiais da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul em
preenchimento parcial dos requisitos para a obtenção
do título de Mestre em Ciências dos Materiais.
Porto Alegre
2010
1
Trabalho parcialmente financiado pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes)
e pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).
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II
“Effort doesn’t equal worthiness.”
Adaptado de Gregory House no seriado
House M.D.(6ª temporada).
III
Agradecimentos
Quero demonstrar a minha gratidão a todos aqueles que ajudaram, participaram,
preocuparam-se ou me fizeram crescer no decorrer deste trabalho. Para isto, peço licença e
desculpas aos futuros leitores, pois quebrarei o protocolo e não serei formal nos
agradecimentos.
A Assis Borges do Canto (in memorian): Meu Avô, padrinho, primeiro professor, grande
incentivador da busca pela aprendizagem, mas acima de tudo...pai... Obrigada por ter feito de
tudo para que eu tivesse a oportunidade de perseguir o que eu quis, novamente faltará alguém
para comemorar comigo,...alguém a quem eu agradeço todos os dias pelo que fez pela minha
vida profissional e que nem me viu pegar o diploma do Ensino Fundamental.
A Eva Costa do Canto (in memorian): Obrigada por ter me ensinado com exemplos que
quando se tem um problema o que importa é resolvê-lo. Isto foi determinante para que eu
nunca desistisse. Obrigada sempre!
Aos meus Pais: Obrigada por terem me dado a vida, obrigada pelo carinho e atenção.
A Elza Catarina Canto: Mãe, eu nunca pedirei para que você aprove, nem entenda o que me
faz dormir tão pouco, sair tão cedo de casa, chegar tarde, estudar, falar pouco contigo ao
telefone, não te visitar como você gostaria,...nunca pedirei, apenas acabou que te forcei a
aceitar, foi difícil, eu sei,....mas entenda que estou feliz! Obrigada por me ligar de manhã
tantas vezes até que eu realmente acorde isto parece pouco, mas para mim é muito e se eu não
acordasse cedo....este trabalho não sairia. Obrigada!!
Vera Terezinha do Canto Fialho: Vera,...conseguimos mais uma! Mas esta foi mais
difícil...foi porque você acabou ficando com raiva do meu mestrado...mas entendo...Obrigada
por toda a ajuda sempre, pela compreensão das minhas ausências, aprovações das minhas
atitudes, carinho, incentivo e por estar ao meu lado.
Orientar,... Professores são pessoas importantíssimas na nossa vida, eles podem com suas
aulas, sua postura mudar muitas coisas em nossas vidas, podem até mudar uma vida. Mas ser
orientador é mais que isto! Professores aparecem, orientador a gente escolhe. E ele tem que
ser professor, chefe, colega, ao mesmo tempo e ainda tem que tentar descobrir as nossas
deficiências e habilidades para poder investir nas habilidades natas. Orientador é aquele que a
gente chega chorando porque não sabe para que caminho ir na pesquisa, aquele que a gente
discute, aquele que a gente ri junto nos churrascos, nos cafés, aquele que muitas vezes sabe
que a gente brigou com o colega só de olhar para nossa cara, aquele que fala o que tem que
falar, que critica quando tem que criticar e que mesmo assim a gente sempre vai admirar,
aquele que se sente vitorioso com cada vitória nossa...como não ser grata a alguém assim?
Professor João Schmidt: Professor, eu não sei se aquela menina que chegou cheia de sonhos
no laboratório chegou a um dia pensar em terminar o mestrado lá, os sonhos mudam, a
realidade chega, coisas acontecem, e acabei voltando. Eu sei que eu incomodo, peço dinheiro,
peço ajuda, sou nervosa, chorona, mas enfim,...faz parte do processo, as coisas têm que
acontecer...E eu lhe agradeço toda a compreensão todos estes anos, toda a ajuda, a paciência,
a calma e principalmente a confiança! Confiança sempre, em tudo...Obrigada por ter lido
linha por linha do meu trabalho, e ter tido o cuidado de marcar todas aquelas imensas
correções. Obrigada pela oportunidade, por ter aceitado o meu pedido de me orientar,
obrigada por todas as oportunidades que me deu, mesmo quando tudo parecia perdido!
Sílvio Kirst: É difícil falar,...sempre ao meu lado, nem que fosse para criticar, mas sempre ao
meu lado. Fazendo o possível e o impossível para ver a minha vitória, ajudando em desenhos,
correções de português, o design dos pôsters, a formatação, a ajuda no laboratório, tudo....
Obrigada por cada segundo que você gastou com meu trabalho e comigo, principalmente nos
IV
momentos em que eu estava triste ou nervosa e que você entendeu e ajudou...obrigada por
existir na minha vida!
Paulinho: Quem consegue aprender a usar o sputtering (de forma adequada) sem você?
Obrigada por cada peça consertada, cada fio soldado, cada ensinamento passado, cada
refeição, cada café, cada conversa, cada ajuda!
Paulinho, Gervaldo, Betinho e Zé (os garotos da oficina):Obrigada por cada auxílio técnico
na hora do desespero ou não!
Luiz Antonio e Guilherme (os garotos da criogenia): Obrigada pelo abastecimento de
nitrogênio líquido mesmo quando eu estava com pressa. E obrigada por manterem o
nitrogênio gasoso ligado.
Mauro Finn e João Tessaro (os garotos da Eletrônica): Obrigada por todas as soldas nos
cabos do MOKE e pela ajuda de sempre!
Marco Boff: Obrigada pelo apoio, ajuda, e principalmente pelo exemplo de luta e
persistência!
Ângelo Morrone: Obrigada pelo auxílio relativo aos “mistérios” dos equipamentos, pelas
risadas e companhia.
Evgeni Cruz, Cesar Wanke: Obrigada pelos exemplos de perseverança acompanhados de
um enorme sorriso mesmo em meio a uma adversidade. Admiro demais vocês, pois quando as
coisas iam mal, eu não conseguia rir com a mesma esperança que vocês!!
Marcelo: Talvez quem mais acreditou em mim sempre, mais até que eu...obrigada por
entender o quão particular são certas situações da minha vida e sempre me ajudar a melhorar
como ser humano, cada dia!
Larissa Ebeling: Lá para mim foi fácil! Fácil ser sua amiga nestes últimos dois anos. Pois
seus assuntos me interessam, eu gosto de quando você me conta o que deu errado no estágio,
os problemas com a bolsa, psicologia, Freud, Paulo Freire,Vygotsky,...tudo me interessa, me
faz crescer...Mas e você? Sputtering, nitrogênio, anisotropia, Kerr, luz acesa, vácuo,...e você
me ouvia. Tenho certeza que a primeira vez que te falei que iria para o Encontro de Físicos da
Matéria Condensada, você pensou no leite condensado,...áreas tão diferentes e mesmo assim
você continuou ao meu lado, como sempre a minha melhor amiga.
Aos meus tios José e Marli: obrigada pelo carinho, ajuda e compreensão pelas minhas
ausências.
Enio e Reinoldo: Obrigada pelas caronas e ajuda quase sempre com as compras, obrigada
pelo incentivo sempre, por acreditarem em mim.
Luiza Seligman: Obrigada pelas infinitas caronas, mesmo em horários esdrúxulos cedo ou
tarde, com frio, com risco de gelo, com energético, bolo, pão de queijo...obrigada pela ajuda
sempre em tudo que foi possível e até em algumas coisas quase impossíveis...Obrigada pelas
risadas e pela companhia!
Janaína Borges: Obrigada pelos ensinamentos relativos às limpezas das amostras, pelas
diversas imagens de AFM... pelas risadas, companhia, ajuda sempre!
Julian Geshev: O primeiro orientador a gente nunca esquece...obrigada pelas correções de
inglês nos resumos dos Congressos, pelas leituras, dicas de artigos, pelos cafés, companhias,
apoio.
Rafael Otoniel: A loucura da vida acadêmica...13 horas diárias no laboratório, acaba fazendo
com que a gente conviva com os colegas mais que com amigos, família...obrigada por toda a
ajuda sempre, por colocar nitrogênio na máquina quando eu não podia, pelos contatos feitos
com sua mão que não tremia, pela ajuda nas medidas, e muito obrigada por durante quase dois
anos ter me esperado para que eu não voltasse para casa sozinha por medo quando tinha que
sair tarde do campus. Muito Obrigada, sempre!
V
Rafael (Cica), Rafael Otoniel, Rafael Pires, Luiza, Paulinho: Obrigada por me
acompanharem e ou esperarem quando eu tinha medo de chegar ou sair sozinha do
campus,...jamais esquecerei o que vocês fizeram...
A Josiane Salazar: Obrigada por ter feito algumas medidas no MOKE, obrigada mesmo!
Sílvio, Paulinho, Luiza, Sabrina: Quando eu queimei a mão e tinha que trabalhar
desesperadamente com uma mão só, vocês me ajudaram, ou porque gostam de mim, ou
porque sabem o quanto é difícil esta situação, ou as duas coisas,...o que importa é que sinto
uma imensa gratidão por isto! E parabenizo vocês pelo gesto de bondade.
Lívia Cunha e Vera Fialho: Obrigada pelas estufas! Se não fossem elas, não imagino como
agüentaria as madrugadas e noites frias que passei ou estudando Teoria Eletromagnética, ou
escrevendo este trabalho.
Teka: Obrigada pela presença e acompanhamento no meu crescimento profissional, desde o
primeiro dia que pisei no Instituto de Física! Agora, veja só...serei mestre e “vamos brincar de
quê?”
Lívia Cunha: Tia Lívia! Obrigada pelos bolos e doces maravilhosos que animam meu dia! E
pelas orações, desejos de que tudo de certo...
Antonio Azevedo e Alexandre Oliveira: Obrigada pela deposição dos filmes de ferro feitos
no Departamento de Física da UFPE.
Thiago Bueno: Obrigada pelas discussões sobre deposições de filmes, pelas dúvidas tiradas
sobre as deposições dos filmes de ferro que utilizei neste trabalho, sempre com paciência e
atenção, estas discussões foram imprescindíveis para que o mistério RF/DC fosse descoberto
e para que minha mente se abrisse para várias idéias de outras amostras a serem feitas,
curiosidade por outros métodos de deposição, de análise; e que assim eu evoluísse muito
como pessoa e profissional. Mesmo de tão longe você colaborou muito para este trabalho, e
eu serei eternamente grata.
Pessoal da Resistividade, em especial Jorge, Fabiano e Lucas: Obrigada pelas risadas,
ajuda sempre!
Seu Otelo: Obrigada pelos vários Difratogramas de Raios-x sempre esforçando ao máximo
para que eu conseguisse o resultado esperado!
A Capes: Obrigada pelo pagamento da minha bolsa sempre em dia e sem atrasos.
A Propesq, PGCIMAT e Professor João Schmidt: Obrigada pelo dinheiro investido nas
minhas viagens a Congressos.
Ao pessoal do LAM - Juliano, Rafael Augusto, Rafael (Cica), Gugu, Julian, Sabrina,
Arthur, Artur Difini, Artur Harres, Josi, Deise, Matheus, Gustavo e Thiago: Obrigada
pela companhia, pelas risadas, pelos cafés.
Rafael Augusto e Matheus: obrigada pela ajuda dada nos momentos de desespero!
Ao Seu Waldomiro: Obrigada pelo empenho e atenção sempre que necessário!
Ao pessoal da Biblioteca do Instituto de Física e da Secretaria do PGCIMAT (Thaís):
Obrigada pela solução de pequenos problemas.
Professora Ruth Schneider(in memorian): Obrigada pelos ensinamentos que nunca saem da
memória, as dicas que a senhora passou após meu TCC foram seguidos neste trabalho, sinto
muito que desta vez a senhora não possa estar presente.
Professora Victória: Obrigada por sempre confiar em mim, pelos conselhos sobre a vida
acadêmica, sobre as disciplinas, pelo carinho.
Lúcia Meirelles: Obrigada pela ajuda no que foi necessário, pela companhia e bom humor,
sempre!
Walberto Chuvas: Obrigada por tudo que esteve ao teu alcance, porque se estava ao alcance,
foi feito!
Melina Bonisson: Obrigada Mel, por me ouvir reclamar do frio, por dividir comigo a tristeza
e a frustração por este trabalho parecer nunca ter fim, pelo apoio sempre, pelos seus
VI
pensamentos super positivos sempre! Obrigada por estar na minha vida...mesmo estando tão
longe e participando dela há tão pouco tempo!
Raquele Pandolfo: Obrigada por sempre torcer por mim, mesmo longe, mesmo com pouco
contato, permanecemos conectadas pelo coração!
Aos que moram longe e aos que moram perto mas mantenho pouco contato: Obrigada
por me fazerem acreditar que o importante é o que de bom sentimos pelo outro, que nem
sempre é possível dar a atenção a todos, estar com todos em todos os momentos!
Daniel Pires: Obrigada pelas autorizações para compra de ácido sulfúrico.
Jocelito: Obrigada pela atenção e colaboração nas minhas idas no Almoxarifado.
Márcia (secretária do Pró-Reitor): Muito obrigada Márcia, por atender minhas inúmeras
ligações desesperadas, sempre com atenção e alegria, nem sei como agradecer.
A todos da Propesq: Obrigada por sempre me tratarem tão bem.
A todos que foram meus professores nas disciplinas, em especial Luiz Fernando Ziebell,
Miguel Gusmão, Naira Balzaretti e Altair Sória: Obrigada pelas aulas!
Fernanda Kramer e Francis Rosatto: Desculpe pelas ausências e obrigada pelo carinho e
apoio!
Sílvio, Gervaldo, Fabrício e Carlão: Obrigada pelos almoços super bem-humorados, quem
se estressa no laboratório de manhã e permanece de mau humor a tarde é porque nunca
almoçou conosco!
Marco Boff: Obrigada pela ajuda sempre, e por ser um exemplo de luta!
A Raquel e Fernando Bonatto: Obrigada pela companhia, discussões e por entenderem o
quanto certas coisas por aqui são difíceis!
Aos Colegas das diciplinas, em especial César Wancke e Patrícia: Obrigada por serem
companheiros nesta jornada!
Professores Ricardo Rego (senhor do saco), Naira Balzaretti, Altair Sória, Cláudio
Schneider e Seu Joaquim, Águeda, Jadna, Pablo: Obrigada pelos sorrisos quando
cruzávamos pelos corredores.
Os pesquisadores da Indústria Farmacêutica: Obrigada pelo desenvolvimento de
medicamentos que nestes dois anos ajudaram na dor no meu pescoço, nas dores de cabeça,
nas tendinites e me mantiveram acordada.
Professora Ruth Hinrichs: Obrigada pela ajuda com o GXRD, é maravilhoso poder contar
com alguém nas horas de dúvida e apuros, obrigada pelo apoio psicológico durante todo o
tempo do trabalho.
A Luiza Seligman: Obrigada por ler os agradecimentos e corrigir os erros de digitação.
E para encerrar: Agradeço aqueles que perguntaram se após me formar estava trabalhando
na área e eu respondia que sim, estava fazendo mestrado e ouvia aquele: “Só isto? Não
trabalha?” Agradeço a vocês porque com isto, tive cada vez mais certeza que o
reconhecimento deve partir de nós mesmos e não vir de fora numa sociedade onde se julga
que uma pessoa ocupada seja apenas aquela que cuida da família e trabalha fora.
A todos que participaram e participam deste trabalho: O meu sincero agradecimento!!!
Obrigada sempre!
VII
LISTAS DOS TRABALHOS GERADOS A PARTIR DOS RESULTADOS
DESCRITOS
Trabalhos apresentados em eventos científicos na forma de pôster:
* Canto, B., Pereira, L.G., Geshev, J.P., Borges, J.G., Salazar, J., Cunha, R.O., Schmidt, J.E.;
Magnetorresistividade em Sistemas Magnéticos Nanoestruturados, I Workshop CNANO/
UFRGS, Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil, agosto/2009.
* Canto, B., Pereira, L.G., Geshev, J.P., Borges, J.G., Salazar, J., Cunha, R.O., Schmidt, J.E.;
VII Escola Brasileira de Magnetismo, Magnetorresistividade em Sistemas Magnéticos
Nanoestruturados, Natal, Rio Grande do Norte, Brasil, outubro/2009.
* Canto, B., Pereira, L.G., Salazar, J., Cunha, R.O., Schmidt, J.E., Borges, J.G., Azevedo, A.,
XXXIII Brazillian Meeting on Condensed Matter Physics, Resistivity and Magnetoresistivity
in Iron Nanoestructures, Águas de Lindóia, São Paulo, Brasil, maio/2010.
* Canto, B., Pereira, L.G., Salazar, J., Cunha, R.O., Schmidt, J.E., Borges, J.G., Azevedo, A.,
XII Congresso de Estudantes de Ciências e Engenharia de Materiais do MERCOSUL,
Correlação entre a Morfologia do Grão e o Transporte de Elétrons em Filmes Finos de Ferro,
Porto Alegre, Rio Grande do Sul, Brasil, julho/2010.
VIII
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS XI
RESUMO XIV
ABSTRACT XV
1 INTRODUÇÃO 1
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 4
2.1 O SUBSTRATO DE SILÍCIO
111 4
2.1.1 Silício Vicinal
111 – Estrutura Cristalográfica 5
2.1.2 Preparação do Substrato: Remoção do Óxido Nativo 6
2.2 DEPOSIÇÃO POR DESBASTE IÔNICO MAGNÉTICO (MAGNETRON
SPUTTERING) 7
2.3 MAGNETISMO EM FILMES FINOS 8
2.3.1 Anisotropias Magnética 8
2.4 RESISTIVIDADE ELÉTRICA ANISOTRÓPICA 12
2.5 MAGNETORRESISTÊNCIA 15
2.5.1 Magnetorresistência Anisotrópica 17
2.5.2 Magnetorresistência Anisotrópica em Filmes Finos de Ferro 18
2.6 EFEITO HALL PLANAR 18
3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS 20
3.1 APRESENTAÇÃO DAS AMOSTRAS 20
3.2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS 21
3.2.1 Corte do Substrato 21
3.2.3 Deposição dos Filmes Finos de Ferro 25
3.3 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA 30
3.3.1 Microscopia de Força Atômica (AFM) – Modo Contato 30
3.4 CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA 31
3.5 CARACTERIZAÇÃO RESISTIVA E MAGNETORRESISTIVA 33
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 36
4.1 DESCRIÇÃO DAS AMOSTRAS 36
4.2 RESULTADOS DA ANÁLISE MORFOLÓGICA 36
4.2 RESULTADOS DA ANÁLISE MAGNÉTICA 38
IX
4.3 RESULTADOS DO ESTUDO DA RESISTIVIDADE 40
4.4 RESULTADOS DO ESTUDO DA MAGNETORRESISTIVIDADE 41
5 CONCLUSÕES 46
6 PERSPECTIVAS FUTURAS 49
6.1 CONJUNTO DE AMOSTRAS I e II 49
6.2 CONJUNTO DE AMOSTRAS III e IV 50
REFERÊNCIAS 51
ANEXO A - COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES CONDIÇÕES DE
DEPOSIÇÃO DO FILME DE FERRO E SUA RESPOSTA MAGNÉTICA I
A1 MÉTODO DE DEPOSIÇÃO DIFERENTE i
A2 ESTRUTURA DE DEGRAUS DOS SUBSTRATOS iii
A3 DIFERENTES TAXAS DE DEPOSIÇÃO vi
ANEXO B – ANÁLISE ESTRUTURAL DA AMOSTRA S
60
VIII
X
ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
AFM: Atomic Force Microscopy (Microscopia de Força Atômica)
AMR: Anisotropic Magnetorresistance (Magnetorresistência Anisotrópica)
PHE: Planar Hall Efect (Efeito Hall Planar)
Si(111): Silício com direção cristalográfica de corte na direção [111]
Si(100): Silício com direção cristalográfica de corte na direção [100]
RCA: Radio Corporation of America
RF: Radio Frequency (Rádio Frequência)
DC: Direct Current (Corrente Contínua)
Ag: prata
Au: Ouro
W: tungstênio
MOKE: Magnetômetro Ótico por Efeito Kerr
STM: Scanning Tuneling Microscopy (Microscopia de tunelamento)
XI
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Vista de topo e lateral da estrutura de superfície, com terraços e degraus
monoatômicos, de silício monocristalino orientadas nas direções: 111 (Si
111 )
37
.
Figura 2 – (a) Relação entre o plano atômico
111 e o ângulo de corte (α) de 0,5° em
relação à direção cristalográfica
111 . (b) representação do padrão de degraus na superfície
do silício com padrão de degraus onde
é o ângulo azimutal.
Figura 3 – Desenho representativo de um esferóide prolato.
Figura 4 – Curva característica da dependência da resistividade elétrica de um material na
presença de um campo magnético externo variável.
60
Figura 5 – Máscara utilizada na deposição dos filmes finos de ferro que consistiu de uma
placa retangular de cobre-berílio de 0,5 mm de espessura e recortada eletroquimicamente
conforme o desenho interno da figura (medidas em milímetros).
Figura 6 – Esquema representativo da Lâmina de silício com ângulo de corte, α, com desvio
de aproximadamente α = 0,5° na direção cristalográfica
111 e indicação dos planos
cristalográficos importantes para a hidrogenização.
Figura 7 – Esquema representativo da limpeza e hidrogenização do substrato de silício, onde
estão explicitadas a posição e a direção cristalográfica 112
do mesmo durante a
hidrogenização dentro do frasco.
Figura 8 – Esquema ilustrativo do processo de desbaste iônico magnético (magnetron
sputtering).
Figura 9– Porta amostra utilizado para a deposição dos filmes finos de ferro.
Figura 10 – Esquema representativo do Microscópio de Força Atômica.
Figura 11 – Representação dos três tipos de Efeito Kerr.
Figura 12 – Diagrama Esquemático do MOKE.
Figura 13 - Para as medidas magnetorresistência os contatos foram feitos entre o fio condutor
e a amostra, utilizando cola prata (ver Detalhes das Conexões). A notação representa: as letras
A, B, C e D foram utilizadas para designar as direções da corrente aplicada e a direção sobre a
qual foi realizada a medida de tensão em relação ao centro do arranjo. Por exemplo: AA
significa que os terminais de tensão e de corrente foram instalados na direção A e a corrente
flui na direção A; AB corrente aplicada na direção e no sentido A e tensão medida entre os
terminais da direção B. Para os resultados de magnetorresitência, a nomenclatura inclui o
XII
ângulo entre o campo magnético aplicado e a corrente, por exemplo, para um ângulo de 45°
na configuração AA, a nomenclatura será: AA45°.
Figura 14– (a) Imagem obtida por AFM do substrato de silício (111) hidrogenizado (amostra
S
0
).
Figura 15 – Imagens topográficas obtidas por AFM das amostras (a) S
60
onde se percebe que
o padrão dos degraus da S
0
é mantido. (b) S
120
onde se percebe que os vales são cobertos, mas
o que resta da memória do padrão ainda é visível com grãos de ferro na forma alongada e
alinhada com os degraus. (c) S
245
onde o padrão é indefinido e não é possível ver os vales.
Neste caso o ferro apresenta formas granulares não alongadas e estão aleatoriamente
orientados.
Figura 16-(a) Gráfico polar do campo coercivo das amostras S
60
, S
120
e S
245
como função do
campo magnético aplicado. (b) Gráfico polar da magnetização remanente para as mesmas
amostras.
Figura 17 – Medidas de magnetorresistência
AMR
AMR
para S
60
, (a) Configuração de medida
AA. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) AA 15° apresentando variação
na resistividade de 22%. (c) Curva (b) em detalhe. (d) AA 45°, e variação de 30%. (e) Curva
(d) em detalhe. (e) AA 90° e 17% de variação. (f) Curva (g) em detalhe.
Figura 18 – Medidas de efeito hall planar
EHP
EHP
para S
120
. (a) Configuração de medida
BD. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) BD 45° apresentando variação
na resistividade de 46%. (c) Curva (b) em detalhe. (d) BD 315°, a variação cai a 26%. (e)
Curva (f) em detalhe.
Figura 19 – Medidas de efeito hall planar
EHP
EHP
para S
120
. (a) Configuração de medida
AC. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) AC 45° apresentando variação
na resistividade de 520%. (c) Curva (b) em detalhe. (c) AC 225°, a variação cai a 20%. (d)
Curva (e) em detalhe. (f) AC 270° apresentando magnetorresistência positiva de
aproximadamente 11,61%, e magnetorresistência negativa de aproximadamente 59,6%. (g)
Curva (f) em detalhe.
Figura A1 – Imagens feitas por AFM. (a) amostra depositada por DC-magnetron sputtering.
(b) RF-magnetron sputtering.
XIII
Figura A2 – Gráfico polar para a variação angular da (a) Coercividade e (b) Remanência das
duas amostras.
Figura A3 – Imagens de AFM para os substratos de silício. (a) substrato hidrogenizado no
plano
110 . (b) substrato hidrogenizado no plano
112
Figura A4 – Imagens de AFM. (a) Filme e ferro crescido sobre o substrato com o padrão de
degraus. (b) Filme de ferro crescido sobre o substrato sem o padrão de degraus.
Figura A6 – Curva de histerese peculiar obtida por MOKE para 58° com relação à direção
paralela aos degraus na amostra
Figura A7 – Imagens de AFM. (a) Amostra crescida a 0,7 Å/s e (b) Amostra crescida a 0,087
Å/s.
Figura A8 – Curvas de histerese para as duas amostras.
XIV
RESUMO
A proposta deste trabalho foi relacionar as características morfológicas com as
respostas magnéticas, resistivas e magnetorresitivas de três amostras compostas de filmes de
ferro (com espessuras de 60, 120 e 245 Å) depositados, por desbaste iônico magnético, sobre
silício vicinal com direção cristalográfica de corte
111 . A caracterização morfológica foi
realizada por Microscopia de Força Atômica (AFM) e mostra que até uma determinada
espessura o filme fino de ferro cresce de forma a acompanhar a estrutura de degraus do
substrato. Curvas de histerese foram obtidas apresentando uma clara anisotropia uniaxial
planar que se apresenta maior na amostra de 60 Å. Medidas de resistividade elétrica
mostraram que, resistivamente, as amostras são anisotrópicas (com exceção da mais espessa)
apresentando menor resistividade nas direções paralelas aos degraus. Medidas de
magnetorresistência pelo método padrão de quatro pontas, na amostra de 60 Å, apresentaram
valores expressivos na direção paralela aos degraus, que podem ser explicados a partir de
modelos já existentes para magnetorresistência anisotrópica (AMR) em amostras
policristalinas. Valores expressivos da magnetorresistência foram encontrados para a amostra
de 120 Å para configurações em perpendicular (método de van der Paw, onde a corrente flui
na direção paralela aos degraus e a voltagem é medida perpendicularmente a eles), que podem
ser explicados através do efeito Hall planar (PHE), hoje em dia bastante estudado devido a
sua importância na indústria da micro e da nanoeletrônica.
XV
ABSTRACT
In this work, the relationship between the morphological and the magnetic, resistive
and magnetoresistive characteristics of three nanostructured samples was studied. These
samples were constituted of nanotexturized iron thin films (60, 120 and 245 Å of thickness),
deposited by Magnetron Sputtering on vicinal silicon (plane of cut in the
111 direction)
composed of patterned plane steps. Morphological characterization was performed by Atomic
Force Microscopy (AFM) which shows that up to a certain thickness the iron film grows
following the structure of the substrate steps. Hysteresis curves were obtained showing a clear
plane uniaxial anisotropy which is higher in the 60 Å sample. Electrical resistivity
measurements showed that samples respond anisotropically (except in the thicker one), and
present lower resistivity in the direction parallel to the steps. Measurements of
magnetoresistance (using the four probes method) in the 60 Å sample showed significant
values in the direction parallel to the steps and that can be explained based on existing models
for anisotropic magnetoresistance (AMR) in polycrystalline samples. Significant
magnetoresistance values were found in the 120 Å sample, in a configuration where the
current flows in the direction parallel to the steps using the van der Paw method. These results
can be explained by planar Hall effect (PHE) which, nowadays, is widely studied because of
its importance in micro and nanoelectronics industry.
1 INTRODUÇÃO
A Nanotecnologia, nos dias de hoje, tem sido uma área bastante estudada com objetivo
de desenvolvimento de produtos em escala industrial. Materiais e objetos que apresentam ou
tem componentes com dimensões da ordem de magnitude de 1 a 100 nm (nanométricos)
apresentam propriedades elétricas, ópticas, mecânicas e outras, que não são observáveis em
sistemas de dimensões maiores que esta e que podem ser exploradas para a construção de
nanodispositivos e para uma variedade de outras aplicações.
Um dos ramos de pesquisas, em escala nanométrica, são estudos de materiais
magnéticos, de grande importância para a indústria da informática. Dentro destes está o
estudo das propriedades elétricas de filmes finos magnéticos metálicos.
1-5
O interesse nesta
área de pesquisas advém de dois fatores: a possível aplicação para a construção de
dispositivos envolvendo micro e nanoeletrônica e por ser um problema fundamental de Física
da Matéria Condensada.
As pesquisas em filmes finos de ferro depositados sobre substratos de silício
111
(Si
111 ) com estruturas de degraus vicinais apresentam características peculiares na
morfologia do filme, pois quebram a simetria de superfície do filme. Pesquisas anteriores
mostraram que, em casos particulares, a morfologia do filme é anisotrópica apresentando
grãos de forma alongada em uma direção (esferóide prolato) e que são fundamentais para
determinar o comportamento das propriedades magnéticas do material. Utilizando-se medidas
de curvas de histerese magnética, onde se aplica um campo magnético externo e mede-se a
resposta magnética da amostra, verificou-se que dependendo da maneira com que tais grãos
são crescidos poderiam ser observadas anisotropias magnéticas induzidas.
6-11
Ademais estas,
estruturas diferenciadas acima descritas podem influenciar significativamente o transporte
eletrônico.
Nos filmes de ferro depositados sobre silício, a condução elétrica é duplamente
afetada. Em primeiro lugar, pelos efeitos de forma: quando as dimensões dos grãos
namométricos forem menores que o livre caminho médio eletrônico, estes determinam um
novo comprimento do livre caminho médio eletrônico efetivo, modificando desta forma a
resistividade do material. Como os grãos não são isotrópicos, este tipo de influência também
depende das direções relativas de medida. Em segundo lugar, pelos efeitos da interação spin-
órbita que se refletem na magnetorresistência anisotrópica (AMR) que por sua vez pode ter
2
como consequência a manifestação do efeito Hall planar (PHE). Neste caso, como a
magnetização varia com respeito ao campo magnético aplicado, a anisotropia magnética do
sistema irá atuar diretamente na condutividade dos filmes. As espessuras dos filmes também
influenciam na resistividade.
12
A influência da estrutura e morfologia de filmes deste tipo na condutividade elétrica
foi estudada por Mayadas
3
, onde o autor salienta a importância de se considerar a fronteira de
grão e, portanto seu formato nos estudos sobre condução elétrica em amostras policristalinas.
Este estudo serviu de base para a investigação do comportamento da magnetorresistência para
filmes finos policristalinos. Rijks
13
estudou a interferência da anisotropia dos grãos nos
efeitos de transporte eletrônico em filmes finos e, posteriormente, Dieny
14
e Rijks
15,16
estudaram a influência das fronteiras de grãos na magnetorresistência.
Recentemente, o PHE tem recebido uma atenção especial e é de grande importância
para a indústria da informática, pois, com base em suas propriedades, é possível construir
sensores magnéticos de alta sensibilidade para medição de campo entre eles, sensores de
rotação, sensores de rotação de biomoléculas magnéticas marcadas, ou ainda de
potenciômetros de contato.
17
Tais sensores seriam construídos com apenas uma camada
nanométrica de filme fino ferromagnético, o que atrai a atenção da indústria na construção em
escala industrial pela simplicidade da estrutura do material se comparada com outras técnicas
de fabricação. Este interesse levou a um aumento significativo no estudo das propriedades de
magnetotransporte de filmes finos de materiais ferromagnéticos.
12, 17-23
O presente estudo teve como objetivo entender com mais profundidade o
comportamento da magnetização, da resistividade e da magnetorresistividade de filmes finos
de ferro, depositados sobre silício por desbaste iônico com campo magnético, em função da
estrutura dos mesmos. Para tanto, foram depositados filmes finos de ferro em substratos
vicinais de Si
111 e feitas caracterizações morfológicas, magnéticas, resistivas e
magnetorresistivas.
A seguir, será apresentada a Revisão Bibliográfica sobre a relação da morfologia de
filmes finos e suas propriedades magnéticas, resistivas e magnetorresistivas. No Capítulo Três
serão apresentados os procedimentos experimentais e um resumo sobre as técnicas utilizadas.
No Capítulo Quatro serão mostrados os resultados obtidos e as discussões sobre os mesmos.
Os Capítulos Cinco e Seis referem-se à Conclusão e às Perspectivas Futuras da continuidade
da pesquisa. No Anexo A serão apresentados alguns resultados obtidos relacionando os
parâmetros de preparação de algumas amostras e suas respostas magnéticas, mas para um
3
estudo mais completo será necessário a confecção e análise de outras amostras. No Anexo B
será apresentado o difratograma de Raios-X para uma das amostras e sua interpretação.
4
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Nestes últimos anos a pesquisa de materiais em escala nanométrica (1-100 nm) tem
recebido grande atenção. Este interesse decorre principalmente de fenômenos elétricos,
eletrônicos, macênicos, magnéticos e outros que surgem de estruturas com esta ordem de
grandeza e que não são observados em sistemas massivos.
De importância para aplicações na indústria micro e nanoeletrônica, estudos de
anisotropias em filmes finos magnéticos depositados sobre substratos de silício tem sido alvo
de atenção ultimamente.
Dentre estes estudos, filmes finos de ferro com crescimento ordenado
de estruturas e padrões nanométricas ganham espaço.
6-11, 24-36
Neste capítulo será feita a
revisão bibliográfica dos assuntos relativos ao estudo de filmes finos de ferro depositados por
desbaste iônico magnético (magnetron sputtering) sobre substratos vicinais de Si
111 e as
suas características morfológicas, magnéticas, resistivas e magnetorresistivas.
2.1 O SUBSTRATO DE SILÍCIO
111
A utilização de silício puro e de baixa rugosidade em pesquisas envolvendo
microeletrônica é hoje em dia, um amplo campo de estudo por meio de conhecimentos já
consolidados. O uso do silício monocristalino com orientação cristalográfica
111
(Si
111 ), é pouco utilizado, entre outras razões devido a sua alta rugosidade superficial, se
comparada à rugosidade do Si
100 .
37,38
Porém, se a intenção for a de fazer o material magnético crescer numa certa direção
(grãos orientados), durante a deposição, o Si
111 é um substrato a ser considerado. Este é o
caso da deposição de filmes finos de ferro, como mostram estudos anteriores.
6-11
Em alguns
destes estudos, o substrato possui um desvio de aproximadamente 0,5° com o plano
111
criando padrões de degraus na superfície deste, este tipo de substrato é conhecido como silício
vicinal.
6-11
5
2.1.1 Silício Vicinal
111 – Estrutura Cristalográfica
Em um monocristal de silício, cada átomo está ligado a outros quatro átomos por
ligações covalentes. A disposição espacial das ligações subseqüentes sofre, sucessivamente,
uma rotação de 180º. O resultado deste arranjo espacial é uma estrutura cristalina "tipo
diamante". Segundo Munford
37
a superfície do Si
111 quase ideal apresenta anisotropias
superficiais não observadas na superfície do Si
100 onde os átomos de silício apresentam
apenas uma ligação pendente. Por outro lado, devido à estrutura do silício, as extremidades
dos terraços monoatômicos (vértice superior dos degraus) na superfície Si
111 são
ocupadas por átomos com uma ou duas ligações pendentes, conforme a direção cristalográfica
que o terraço termina. Estas anisotropias presentes na superfície do Si
111 é que viabilizam
a produção de degraus monoatômicos. (Ver Figura 1).
Figura 1 – Vista de topo e lateral da estrutura de superfície, com terraços e degraus
monoatômicos, de silício monocristalino orientadas nas direções: 111 (Si
111 )
37
.
Na Figura 2 (a), é mostrada a relação entre o plano atômico
111 e o plano de corte
do silício. Na Figura 2 (b) é apresentada a superfície do silício, com o padrão de degraus
empilhados devido à combinação entre o desvio do ângulo de corte e o ângulo azimutal.
6
Figura 2 – (a) Relação entre o plano atômico
111 e o ângulo de corte (α) de 0,5° em
relação à direção cristalográfica
111 . (b) representação do padrão de degraus na superfície
do silício com padrão de degraus onde
é o ângulo azimutal.
2.1.2 Preparação do Substrato: Remoção do Óxido Nativo
Para que a estrutura cristalográfica acima descrita (com terraços atômicos) seja
exposta, é necessário que a camada de óxido nativo (aproximadamente 200Å de espessura)
que é criado logo após o corte destas lâminas na indústria devido à exposição da superfície ao
ambiente, seja removida.
Antes da retirada do óxido, é necessário que se remova as contaminações orgânicas da
superfície da lâmina de silício, utilizando a primeira etapa da limpeza RCA
39
, padrão utilizado
pela indústria de semicondutores, e desenvolvido pela empresa Radio Corporation of
America. Esta etapa consiste em aquecer o substrato a 80°C em uma solução de 1:4 de
peróxido de hidrogênio (H
2
O
2
) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
). O processo de limpeza RCA pôde
ser aplicado de forma simplificada, pois lâminas de silício produzidas em escala industrial não
possuem contaminações metálicas.
A limpeza RCA completa é bastante utilizada para a limpeza e passivação da
superfície de Si
100 .
39
Já para o Si
111 , existem alguns procedimentos que permitem
passivar a superfície com terminações de hidrogênio. Vamos entrar em detalhes em apenas
um destes procedimentos.
O procedimento de limpeza e hidrogenização em que a geração de defeitos superficiais
é menor para a retirada do óxido, consiste em mergulhar o substrato (já limpo de
contaminações orgânicas) em uma solução de Fluoreto de Amônio, NH
4
F, que é previamente
7
desoxigenizada durante 20 minutos por borbulhamento com argônio, onde o oxigênio diluído
na solução é removido por arraste
37, 40
. O substrato é colocado com o plano
110 para baixo,
tomando os cuidados descritos na Seção 3.2.2. O recipiente deve ficar aberto o mínimo tempo
possível para que não ocorra a incorporação do oxigênio no líquido. O substrato fica imerso
na solução até atingir o equilíbrio dinâmico, que pode ser visto macroscopicamente pelas
bolhas formadas na parte amorfa do substrato de silício, isto é, no lado oposto ao lado polido
da bolacha de silício.
40-44
Experimentos preliminares mostram que a superfície é composta
por mono-hidretos de silício (H−Si≡). Detalhamento das bolhas formadas, informações sobre
os experimentos preliminares, considerações sobre a hidrogenização utilizando Ácido
Fluorídrico (HF) e maiores informações podem ser encontradas na referência 37.
O modelo que explica a formação dos mono-hidretos de silício em escala molecular
foi desenvolvido por Allongue e colaboradores.
41
2.2 DEPOSIÇÃO POR DESBASTE IÔNICO MAGNÉTICO (MAGNETRON
SPUTTERING)
Devido a sua maior facilidade de uso em produção em larga escala acompanhada de
altas taxas de deposição e boa reprodutibilidade na indústria, hoje em dia a técnica de
deposição de filmes finos por desbaste iônico (sputtering) tem sido a mais utilizada pela
indústria e pelos laboratórios de pesquisa.
45
Para o estudo de propriedades térmicas e óticas, por exemplo, mostra-se necessário o
estudo das propriedades estruturais e morfológicas do filme fino. Muitas pesquisas têm sido
feitas para a comparação das características estruturais, tanto para comparar filmes
depositados por diferentes técnicas de deposição, quanto para comparar apenas filmes
depositados por desbaste iônico magnético aplicado, mas, porém utilizando dois processos
diferentes: radiofreqüência (RF) e corrente contínua (DC). A caracterização que é feita através
de Espectroscopia de Absorção de Raios-X na maioria dos resultados mostra claramente que
existe uma diferença entre tais filmes, pois os depositados por DC apresentaram estrutura não
organizada formado por grãos e os depositados por RF apresentaram estrutura cristalina.
46,47
Nanoestruturas auto-organizadas de ferro e suas propriedades magnéticas vêm sendo
estudadas desde a década de 1990.
29-32, 34-36
Geralmente, utiliza-se condições especiais de
deposição para induzir anisotropias, resultando em filmes com propriedades magnéticas
8
diferenciadas. A indução de uma anisotropia uniaxial, direcionando o crescimento dos grãos
de filmes finos de ferro sobre substratos nanoestruturados vem sendo um ramo promissor de
pesquisas atuais por serem úteis para a gravação magnética de dados uma vez que dados
podem ser gravados em mídias magnéticas de altas densidades
6-11, 24-28, 29-36, 48
. Referente ao
ferro foram encontradas propriedades e comportamentos com relação aos valores de campo
coercivo e de magnetização remanente, conseqüência da indução do crescimento do filme
durante a deposição. Curvas de histerese invertidas
6
, reorientação magnética e boa qualidade
do filme
49
, anisotropia uniaxial induzida
32
, foram encontrados sobre filmes finos de ferro
depositados em substratos de Si (111)
6-11
, Ag(001)
29, 36
, Au (001)
29
,W(110)
30
e W (001)
31-34
.
O crescimento de ferro sobre substratos vicinais usando desbaste iônico tem por
objetivo a obtenção de filmes finos que apresentem anisotropia magnética uniaxial devido a
uma direção preferencial de crescimento do material depositado. Tal crescimento é uma tarefa
desafiadora, pois depende tanto da qualidade e condições de preparação do substrato (como
corte e limpeza) quanto das condições de deposição (temperatura, pressão de base e limpeza
da câmara de vácuo).
33
2.3 MAGNETISMO EM FILMES FINOS
2.3.1 Anisotropias Magnética
O termo Anisotropia Magnética significa que as propriedades magnéticas variam
dependendo da direção que elas são medidas em relação às estruturas e morfologias presentes
nos materiais. Quando o material apresenta o mesmo comportamento magnético em todas as
direções diz-se que ele é magneticamente isotrópico. Algumas propriedades, induzidas ou
não, mas relacionadas com a disposição espacial, podem ou não favorecer uma orientação
preferencial para magnetização espontânea. Uma forma de observar a anisotropia magnética é
através de medidas de curvas de histerese, analisando a forma destas curvas juntamente com
parâmetros extraídos delas como campo coercivo, magnetização remanente e magnetização de
saturação. A direção onde o campo de saturação é menor é a direção conhecida como eixo
fácil magnético.
50,51
Existem as anisotropias intrínsecas ao material e as induzidas. A única intrínseca é a
Anisotropia Magnetocristalina, que é conseqüência da estrutura cristalina. As Anisotropias
extrínsecas são a Anisotropia de Forma e a Anisotropia Magnetoestática, sendo que a primeira
9
faz com que a magnetização recaia sobre o plano do filme pela grande diferença entre as
dimensões no plano e perpendicular a ele, e a segunda está relacionada com distorções da rede
cristalina.
50
A seguir discutiremos em mais detalhe a anisotropia cúbica magnetocristalina e a
anisotropia de forma, pertinentes para filmes finos de ferro.
2.3.1.1 Origem das Anisotropias Magnéticas
Segundo Vleck
52
, as forças entre os átomos que são primariamente responsáveis pelo
ferromagnetismo são as forças de intercâmbio. Contudo, elas não conduzem a nenhuma
anisotropia, pois tais forças dependem apenas do ângulo entre os spins e não da forma ou da
orientação espacial da rede cristalina.
52
A origem física da anisotropia magnética pode ser
dividida em duas partes:
1) Acoplamento spin-órbita: é o responsável pela anisotropia magnetocristalina
e magnetoelástica, e é representada por (1)
53
:
ˆ
LS LS i i
HLS
(1)
onde
LS
é um termo que depende essencialmente da derivada do potencial central
(independente do spin) em relação a r , e
i
L
e
i
S
são os momentos angulares e de spin
respectivamente.A discussão completa e o tratamento matemático são encontrados na
referência 53.
Este acoplamento possui caráter de longo alcance e depende da forma geométrica da
amostra. Em suma, a interação spin-órbita acopla o momento magnético total com os orbitais
cristalinos.
2) Acoplamento Dipolar: responsável pela anisotropia de forma e é representada
por (2)
53
:
32
0
13
ˆ
4
diiiijiij
ij ij
HSSSRSR
RR
(2)
onde
0
é a constante de permissividade elétrica do vácuo (
12
F
8,85 10
m
),
ij
R
é a distância
entre dois spins com momentos
i
S
e
j
S
, localizados nos sítios i e
j
, respectivamente da rede
cristalina.
10
No caso de filmes finos, a contribuição da anisotropia de superfície, devido à quebra
de simetria do sistema, é comparável à anisotropia magnetocristalina devido a parte
massiva.
50,51
2.3.1.2 Anisotropia Cúbica Magnetocristalina
Esta anisotropia se deve principalmente ao acoplamento spin-órbita dos elétrons, pois
devido a esta interação, o campo magnético externo necessário para saturar o material
depende de sua orientação em relação aos eixos cristalinos. Tal acoplamento é tão forte que
mantém os spins da vizinhança, paralelos ou antiparalelos (interação entre os spins do elétron
e o campo elétrico gerado pelos íons do cristal), por isto que existem certas direções mais
fáceis de magnetizar, os eixos fáceis.
50-53
A energia associada é isotrópica, e depende apenas do ângulo existente entre os spins
adjacentes e pode ser expressa em forma de expansão por série de potências
50
:
24
12
cos cos ...
a
EK K
(3)
Geralmente o primeiro termo já é uma boa aproximação nos casos em que K
2
é
pequeno se comparado a K
1
. Em materiais cúbicos como o ferro, por exemplo, a anisotropia
magnetocristalina deve ser expressa em termos dos cossenos diretores da magnetização com
relação aos eixos cristalinos (α
1
+ α
2
+ α
3
) e existem muitas direções para as quais a energia
tem o mesmo valor, devido à alta simetria destes eixos. Nestes casos a energia pode ser
expressa como
50
:
22 22 22 222
01122331 2123
( ) ...EK K K
(4)
Onde
K
0
, K
1
, K
2
, são constantes de anisotropia cúbica do material e expressas em
ergs/cm³. Geralmente
K
0
e K
2
são desconsiderados porque o primeiro independe do ângulo e o
segundo por ser pequeno comparado com os demais termos.
2.3.1.3 Anisotropia de Superfície
Em filmes finos a proporção de átomos que constituem a superfície é muito maior do
que em materiais massivos. Os átomos que compõem a superfície possuem uma energia
diferente com relação aos átomos internos do material. Logo, as camadas atômicas nas
vizinhanças das superfícies possuem propriedades magnéticas distintas daquelas que estão no
11
volume da amostra devido à quebra de simetria. Verifica-se experimentalmente que para
filmes finos essa anisotropia de superfície se manifesta como anisotropia uniaxial, e depende
do ângulo entre a magnetização e a normal do filme, como pode ser visto na expressão (5)
33, 50,51
:
2
-cosEK
(5)
Onde
E é a energia que depende da orientação da magnetização,
é o ângulo entre a
magnetização e a normal do filme e
K é a constante de anisotropia que determina a
intensidade desta.
Por definição, uma constante de anisotropia positiva descreve o caso de uma direção
preferencial da magnetização perpendicular ao plano da camada. A energia de anisotropia
K
definida por unidade de volume inclui todas as contribuições das várias fontes e é a chamada
anisotropia efetiva
K
eff
. Geralmente, levam-se em consideração as contribuições de volume e
de superfície e que pode ser escrita como
50
:
2
s
eff v
K
KK
t
(6)
Onde
t é a espessura do filme, K
v
a constante de anisotropia devido ao volume e, K
s
é
a anisotropia devido à superfície.
2.3.1.4 Anisotropia de Forma ou Magnetoestática
A anisotropia de forma, ou magnetoestática, origina-se de um campo antiparalelo à
magnetização. Tal campo surge porque a condição de alinhamento para todos os momentos
magnéticos (que procuram minimização de energia) faz com que o comportamento da
amostra pareça ter cargas magnéticas nas extremidades do material gerando um campo
contrário, chamado campo desmagnetizante. Este campo desmagnetizante (7) e sua
intensidade estão vinculados ao inverso das dimensões da direção a que se refere, e depende
apenas da geometria da amostra, por isto é uma anisotropia muito expressiva em amostras
tipo filmes finos. O campo desmagnetizante é dado por:
dd
HNM
(7)
Onde
N
d
é o coeficiente de desmagnetização (dependente das dimensões do sistema) e
M a magnetização.
A energia magnetoestática está relacionada com o campo desmagnetizante e é:
12
2
1
8
ms d
E
Hdv
(em ergs) (8)
onde a integração é feita em todo o espaço e dv é o elemento de volume.
A Figura 3 mostra o esferóide prolato, que como se pode perceber é uma esfera
alongada com a=b<c.
Figura 3 – Desenho representativo de um esferóide prolato.
Os fatores desmagnetizantes para uma amostra esferóide magnetizada na direção de c
são dados por (Stoner
54
e Osborn
55
)
2
22
41
ln 1 1
11
c
Nrr
rr
(9.1)
4
2
c
ab
N
NN
(9.2)
Então a energia pode ser escrita como:
prolato u
M
u
EK
M
, onde (9.3)
2
1
2
ubc
KNNM (9.4)
onde
K
u
é a constante de anisotropia do termo da anisotropia uniaxial devido a forma do
esferóide prolato.
2.4 RESISTIVIDADE ELÉTRICA ANISOTRÓPICA
A resistividade elétrica da maioria dos metais à temperatura ambiente é dominada por
colisões dos elétrons de condução com fônons da rede cristalina. Uma grandeza importante
para o tratamento da resistividade elétrica é o tempo de relaxação médio (10), que
corresponde ao tempo entre duas colisões sucessivas.
57
O tempo de relaxação médio é dado por:
13
11 1
Ld
(10)
onde τ
L
e τ
d
são os tempos médios entre colisões para o espalhamento por fônons e por
defeitos na rede, respectivamente. O espalhamento por defeitos na rede é independente do
espalhamento por fônons e domina a resistividade apenas para temperaturas próximas ao zero
absoluto.
Medir resistividade elétrica consiste em aplicar uma corrente e medir a diferença de
potencial. O modelo aceito para descrever a resistividade de um material é o Modelo de Duas
Correntes de Mott. Este considera a existência de dois canais de condução para os elétrons,
um para cada estado de
spin. A densidade de corrente para cada canal depende quase que
absolutamente da densidade de estados dos elétrons de condução. A cada canal de condução é
associada uma resistividade que pode ser representada como:
11 1
(11)
onde
é a resistividade devido aos spin- up e
é a resistividade devido aos spin-down.
A relação entre o campo elétrico
E
e a densidade de corrente local ( j
) é:
Ej
(12)
onde
é o tensor resistividade elétrica e depende do material e das dimensões do mesmo,
assim como da direção do campo elétrico aplicado. Para o caso geral ρ é um tensor.
57,58
O Modelo de Drude é a teoria da condução elétrica e térmica nos metais descrevendo
estes como um gás de elétrons, utilizando a teoria cinética dos gases. A expressão do Modelo
de Drude para representar a resistividade em um metal é obtida supondo que os elétrons de
condução formam um gás livre, e é dada por:
57
2
m
ne
(13)
onde
ne é a densidade de carga transportada, τ o tempo de relaxação, e/m entra na equação
porque a aceleração para um dado campo elétrico é proporcional à carga e inversamente
proporcional à massa.
Quando a medida de resistividade em uma amostra apresenta valores distintos em
direções diferentes desta amostra, temos a resistividade anisotrópica.
A teoria de Fuchs
1
explica o fato de, em filmes finos de metais alcalinos, a
resistividade ser maior do que no
bulk, e aumentar rapidamente quando a espessura diminui
14
devido a existência de condições de contorno impostas pela superfície além do espalhamento
ordinário existente nos materiais
bulks. O resultado de Fuchs foi:
1,13
1
25
1
3111
11
21
t
i
t
e
p
dt
tt pe
(13)
onde
i
a
l
é a razão entre a espessura a do filme e o livre caminho médio intrínseco do
elétron
i
l e
p
é um parâmetro completamente fenomenológico que é a probabilidade que um
elétron terá de refletir especularmente em conseqüência do espalhamento proveniente da
superfície, e possui valores de 0 a 1. Segundo Mayadas
3
, a menor resistividade é encontrada
em filmes policristalinos e o valor de
0p , enquanto que para filmes epitaxiais o valor
0,5p .
Mayadas
3
propôs um modelo para explicar a resistividade em filmes policristalinos,
fazendo algumas simplificações que permitem que o problema do espalhamento para casos de
fronteiras de grãos de diferentes tamanhos, formas e orientações seja explicado. Segundo ele,
os filmes depositados por evaporação ou desbaste iônico não são isotrópicos, mas tendem a
crescer em colunas com o eixo maior perpendicular ao plano do filme (são as fronteiras
consideradas). A proposta se baseia em dois tipos de fronteiras de planos espaçados
aleatoriamente, umas paralelas ao campo elétrico e outras perpendiculares, propôs ainda que o
potencial que descreve a fronteira de grão é suave e de curto alcance, então os planos de
fronteiras paralelas apresentam uma reflexão especular.
3,59
O problema permanece em
encontrar a resistividade causada pelo espalhamento proveniente de uma série de reflexões
parciais (provocados pela cristalinidade do filme) que ocorrem simultaneamente com o
espalhamento de fundo isotrópico que é causado pelos defeitos da rede cristalina e fônons.
Isto foi resolvido assumindo que uma fronteira de grão pode ser representada por um tipo
simples de potencial de curto alcance e suave. Sendo assim, os estados dos elétrons podem ser
escritos como estados de elétrons livres. Conclui que a contribuição do espalhamento pela
fronteira de grão é de fato dominante sobre as outras duas: a contribuição isotrópica descrita
pelo tempo de relaxação e a contribuição devido a superfícies externas. Mayadas escreve
então, a relação entre a resistividade dependente da fronteira de grãos (
g
) e a resistividade
dependente do parâmetro
p(
p
) que pode ser descrita com a expressão (14):
15
0
1
1, 1
3
4
,1
3
Onde
1
g
p
g
p
lR
dR
(14)
onde
0
l é o livre caminho médio de fundo,
R
é o coeficiente de reflexão e
d
é a separação
média entre os planos aleatórios supostos no modelo e
p
é o parâmetro fenomenológico
proveniente da Teoria de Fuchs-Sondheimer.
1,2
Rijks
13
combinou a teoria de Fuchs-Sondheimer
1,2
e o Modelo de Mayadas
3
para
mostrar que, em amostras de Ni
80
Fe
20
, possuíam tamanho de grão menor e,
consequentemente, mais fronteiras de grãos do que as amostras de Cu (todas crescidas em
buffer de Ta), ainda postulou que a resistividade dependia, neste caso, mais da quantidade de
fronteiras de grão do que da dependência do spin para o espalhamento. Ele então mostrou que
a média do tamanho de grão das amostras de Ni
80
Fe
20
era significantemente menor do que o
livre caminho médio intrínseco, isto leva a considerar o fato de que as fronteiras de grão se
tornam fontes importantes de espalhamentos, mas resultam em outro termo a ser considerado
ao analisar o livre caminho médio. Nesta análise foi assumido um espalhamento de elétrons
difusos e o livre caminho médio é tomado como:
111
g
i
(15)
onde
g
é o livre caminho médio devido as fronteiras de grão e
i
é o livre caminho médio
intrínseco.
2.5 MAGNETORRESISTÊNCIA
Quando um campo magnético é aplicado a uma amostra da qual se está medindo a
resistividade, ocorrem dois fenômenos básicos: 1) a mudança na resistividade elétrica, a qual
chamamos de magnetorresistência, que ocorre devido ao fato que, quando um campo
magnético é imposto, os livres caminhos médios dos elétrons tornam-se curvados e, portanto,
aumentados, não exatamente na direção do campo elétrico aplicado; 2) a indução de uma
tensão na direção perpendicular ao campo magnético aplicado à corrente, denominada de
Efeito Hall, este último é originado pela força de Lorentz, que tende a curvar as trajetórias
16
eletrônicas, os elétrons da sua trajetória original. Por conta deste fenômeno, com o tempo,
cargas negativas acumulam-se no material na direção transversal à direção do campo elétrico
aplicado e também na direção do campo magnético aplicado e, simetricamente, para cargas
positivas. Os excessos de cargas positivas e negativas geram um sistema no qual o material se
comporta como se fosse um capacitor de placas paralelas. Quando a força de Lorentz curva as
trajetórias eletrônicas, cria-se um campo elétrico transversal à direção da corrente elétrica para
compensar a deflexão destas trajetórias. Aparecerá então um campo elétrico perpendicular
formado pelos campos externos que é o chamado campo Hall e que gera uma voltagem Hall.
A componente desta voltagem que depende da magnetização, é o chamado efeito Hall
anômalo ou extraordinário.
60,61
O modelo que melhor explica a magnetorresistência é o Modelo de Duas Correntes de
Mott. (Ver Equação 11).
Como já foi mencionado, a resistividade espontânea é representada por um tensor que
é escrito como:
61
0
0
00
EH
ij EH
onde
e
são as medidas de resistividades paralelas e perpendiculares à magnetização, e
EH
é a resistividade devido ao efeito hall extraordinário.
Este tensor é composto por dois dos principais tipos de magnetorresitência: o efeito
Hall extraordinário que são as componentes não diagonais do tensor
ij
e têm origem nas
forças de Lorentz; e a magnetorresistência anisotrópica, que são as componentes diagonais do
tensor em questão. A origem do efeito está na interação spin-órbita que provoca uma mistura
anisotrópica das sub-bandas do
spin-up e do spin-down fazendo com que esta mistura seja
mais importante na direção paralela à magnetização local do que na direção perpendicular
14
.
Existe então uma relação espacial entre o fluxo de corrente e o campo magnético externo.
Outros dois principais tipos de magnetorresistência são os efeitos válvula de spin,
onde o campo magnético externo muda a configuração magnética de um dos canais e a
resistividade depende da orientação relativa entre o elétron e a magnetização, e o efeito Hall
planar que, apesar do nome, não está relacionado com as componentes não diagonais do
tensor resistividade e sim, é uma conseqüência da magnetorresistência anisotrópica.
17
2.5.1 Magnetorresistência Anisotrópica
A dependência da resistividade com o ângulo
entre o campo magnético aplicado e a
corrente é:
61
2
2
1
-cos-
33
(16)
onde
é a medida de resistividade na direção paralela à magnetização e
é a medida de
resistividade na direção perpendicular a magnetização.
Quando a mudança na resistividade depende do ângulo em que o campo magnético é
aplicado e a direção em que a corrente flui, temos a Magnetorresistência Anisotrópica, que é
medida por:
-0
0
RH R
R
(17)
onde R (H) é a resistência com campo magnético máximo aplicado e R (0) é a resistência para
campo aplicado idêntico ao campo coercivo.
Uma forma de abordar a magnetorresistência é utilizar a expressão fenomenológica de
campo elétrico generalizado:
61
2
EH
M
Ej Mj
M
(18)
onde
e
são as medidas de resistividades paralelas e perpendiculares a magnetização,
j
é a densidade de corrente,
EH
é a resistividade devido ao efeito Hall extraordinário e
M
é a
magnetização.
Na Equação (18), o primeiro termo é a componente de origem ôhmica e transversal do
campo elétrico, sendo o segundo termo o responsável pela magnetorresistência anisotrópica
(AMR) e o terceiro termo responsável pelo efeito Hall extraordinário.
60-62
Fenomenologicamente, o efeito AMR pode ser interpretado como o resultado da
interação entre a densidade de corrente elétrica (elétrons de condução) e a magnetização.
Experimentalmente estas medidas apresentam, em geral, a forma representada na Figura 4.
18
Figura 4 – Curva característica da dependência da resistividade elétrica de um material na
presença de um campo magnético externo variável.
60
2.5.2 Magnetorresistência Anisotrópica em Filmes Finos de Ferro
Apesar de ser um assunto cujos estudos iniciaram-se há décadas, a magnetorresistência
anisotrópica ainda é uma área pouco explorada. O estudo deste fenômeno em filmes finos de
ferro está apenas no início. Considerando filmes finos de ferro depositados em substratos
vicinais, em geral, pode-se dizer que estes crescem morfologicamente anisotrópicos sobre os
substratos e, portanto, são induzidos a apresentarem uma anisotropia magnética uniaxial.
6-10,
63,64
Valores encontrados para AMR nestes casos não ultrapassam os 0,2%
65
, outros trabalhos
afirmam haver independência do valor da magnetorresistência
66,67
das variações da espessura
dos filmes finos e outros confirmam ainda a falta de simetria do efeito atribuindo às possíveis
tensões geradas entre a interface substrato/filme.
18
2.6 EFEITO HALL PLANAR
O efeito Hall planar em filmes finos não tem relação com o efeito Hall e é uma mera
conseqüência da magnetorresistência anisotrópica.
61
Quando uma corrente é aplicada numa direção da amostra, por esta ser
morfologicamente e magneticamente anisotrópica, uma tensão será induzida em todas as
direções. Mas dependendo destas características anisotrópicas, algumas direções terão um
valor maior de tensão induzida. Quando a tensão é medida perpendicularmente a direção da
corrente aplicada e a magnetização estiver no plano da amostra prevê-se um campo elétrico
que é escrito por:
19
1
sin(2 )
2
yx
E
j
(19)
onde
y
E
é a componente do campo elétrico perpendicular à direção da corrente aplicada (na
direção x) e os demais parâmetros são os mesmos identificados anteriormente.
O efeito Hall planar é um dos melhores métodos experimentais para estudar o
processo de magnetização reversa, uma vez que é uma função sensível da direção da
magnetização.
19
O interesse neste efeito provém do fato de que pode ser usado para construir sensores
magnéticos de alta sensibilidade, para medição de campo, sensores de rotação de-
biomoléculas magnéticas marcadas, sensores de rotação ou potenciômetros de contato.
17-23
Os estudos feitos em filmes finos de ferro depositados sobre substratos vicinais são
recentes e concluem que o efeito Hall planar sofre interferência da anisotropia cúbica
20
e da
vicinalidade do substrato. A investigação de filmes finos de ferro crescidos sobre substratos
vicinais de GaAs apresenta resultados promissores para a construção de dispositivos de
memória quaternária, usando apenas uma camada de material ferromagnético e a temperatura
ambiente.
19
20
3 PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo serão apresentados os procedimentos experimentais utilizados na
preparação e caracterização das amostras e um resumo sobre as técnicas empregadas. As
amostras foram caracterizadas morfologicamente por AFM, magneticamente por
magnetometria ótica por efeito Kerr, resistivamente e magnetorresistivamente pelo método de
quatro pontas e pelo método van der Paw.
68
O capítulo está disposto em cinco seções. Na seção 3.1 serão apresentadas as amostras
e na seção 3.2 o processo de preparação destas que é dividido em: procedimento utilizado
para a preparação dos substratos e, deposição dos filmes finos de ferro. Nessa mesma seção
também será apresentado o processo de hidrogenização dos substratos de forma resumida e o
desbastamento iônico magnético (
magnetron sputtering), técnica utilizada para a deposição
dos filmes aqui estudados. Na seção 3.3 será apresentada a técnica utilizada para
caracterização morfológica dos substratos e das amostras (microscopia de força atômica) e, na
seção 3.4, a técnica de magnetometria-óptica por efeito Kerr utilizada para caracterização
magnética das amostras. Por fim, na seção 3.5 será apresentada a técnica de quatro pontas e
van der Paw utilizada para caracterização resistiva e magnetorresistiva das amostras.
3.1 APRESENTAÇÃO DAS AMOSTRAS
Buscando abordar melhor o problema da relação entre a resposta resistiva e
magnetorresitiva de filmes finos policristalinos e relacionando com as características
morfológicas dos mesmos, foram fabricadas amostras de filmes finos de ferro depositados
sobre Si
111 , previamente hidrogenizado, com a utilização de uma máscara de
sombreamento representada na Figura 5 para que a corrente fosse confinada nas medidas de
magnetotransporte, cujo detalhamento será explicitado na Seção 3.5. As amostras diferem
entre si devido a espessura do filme fino de ferro, assim como pelas condições e métodos de
deposição, pois a intenção era a de obter filmes que crescessem seguindo a nanoestrutura do
substrato de silício.
21
3.2 PREPARAÇÃO DAS AMOSTRAS
As amostras foram preparadas em duas etapas: a primeira envolveu a limpeza e a
hidrogenização dos substratos e a segunda envolveu a deposição dos filmes de ferro por
desbastamento iônico magnético, durante a deposição foi utilizada uma máscara de
sombreamento de cobre-berílio representada na Figura 5.
Figura 5 – Máscara utilizada na deposição dos filmes finos de ferro que consistiu de uma
placa retangular de cobre-berílio de 0,5 mm de espessura e recortada eletroquimicamente
conforme o desenho interno da figura (medidas em milímetros).
3.2.1 Corte do Substrato
Os substratos utilizados foram lâminas de silício policristalino, produzidas
comercialmente pela empresa
AJA International, Inc., cujo plano cristalino de corte estava
orientados na direção cristalográfica
111 com um leve desvio (0,5°) em relação ao eixo
normal à superfície
7
, como pode ser visto na Figura 6. As lâminas de silício apresentam
dopagem do tipo
n resultando em uma resistividade entre 5-10 µΩ.m.
22
O corte é o primeiro passo para a preparação do substrato, este é cortado ao longo do
plano
110 (Ver Figura 6), pois como veremos mais adiante, importância fundamental no
processo de hidrogenização.
3.2.2 Limpeza e Hidrogenização do Substrato
Para a limpeza e hidrogenização, foram utilizados frascos e pinças de teflon que foram
tratados em solução de peróxido de hidrogênio (H
2
O
2
) e ácido sulfúrico (H
2
SO
4
) na proporção
1:2, a uma temperatura de aproximada de 80°C, durante 2 horas. Este tratamento permite que
os frascos tornem-se livres de contaminações orgânicas adequando-os para serem utilizados
no processo de limpeza e hidrogenização do substrato.
Figura 6 – Esquema representativo da Lâmina de silício com ângulo de corte, α, com desvio
de aproximadamente α = 0,5° na direção cristalográfica
111 e indicação dos planos
cristalográficos importantes para a hidrogenização.
Todos os produtos químicos utilizados possuem grau de pureza eletrônico (
Merck-
Selectipur
).
23
O primeiro passo na preparação das amostras é a retirada das contaminações orgânicas
dos substratos de silício. Este procedimento é realizado utilizando-se a primeira etapa do
processo de limpeza química da
Radio Corporation of America conhecido como, RCA.
39
Este passo consiste em fazer uma solução de H
2
O
2
e H
2
SO
4
, na proporção (1:4) e
mergulhar nela o substrato durante 20 minutos a uma temperatura de 80°C. Para manter o
substrato e a solução a esta temperatura, utilizamos um aquecedor elétrico com controle de
temperatura e monitoramento manual.
O passo seguinte consiste na hidrogenização. O objetivo é remover a oxidação
superficial resultante do processo de fabricação do substrato e expor a sua estrutura atômica o
que se tornou irregular no momento em que a lâmina é cortada, com a oxidação da superfície.
Este passo da limpeza permite retirar a camada de óxido nativo e, ao mesmo tempo, passivar a
superfície com terminações de hidrogênio, fazendo com que a estrutura atômica do cristal
possa ser novamente exposta ao ar e permanecer estável. Como o substrato utilizado é Silício
111 , ao se retirar a camada de óxido e expor a estrutura atômica, teremos um padrão de
degraus paralelos ao plano
110 (Ver Figura 2(b)).
37,38,40-44
O estudo da formação dos degraus em silício foi feito detalhadamente por Munford
que estudou diversos métodos para criação dos mesmos.
33
Aqui neste trabalho, foi utilizado
um dos métodos estudados nesta referência: a técnica de desbastamento com solução de
fluoreto de amônio, NH
4
F, que faz aflorar superfícies atomicamente planas e protegidas
contra oxidação por algumas horas.
37-38,40-44
Enquanto o substrato está imerso na solução de H
2
O
2
e H
2
SO
4
, é preparada uma
solução de 40 % NH
4
F (fluoreto de amônio) borbulhada com gás Argônio para que o oxigênio
diluído na solução seja removido por arraste. Uma pesquisa indica que este oxigênio é um dos
responsáveis pelo surgimento de defeitos na superfície dos degraus caso permaneça na
solução durante o processo de afloramento.
44
Após ser retirado da solução de H
2
O
2
e H
2
SO
4
, o substrato foi lavado com água
deionizada e em seguida, transferido individualmente para o recipiente contendo fluoreto de
amônio, previamente desoxigenizado, tomando-se o cuidado de deixá-lo apoiado
diagonalmente na lateral do frasco, com a superfície polida virada para baixo, com o plano
110 próximo à parte inferior do recipiente e, em seguida, o recipiente foi fechado. Este
procedimento deve ser feito o mais rápido possível para evitar ao máximo a exposição do
substrato ao ar. Nesta geometria, as bolhas de hidrogênio, produzidas em maior número na
24
superfície rugosa da amostra durante o desbaste químico de Si
111 , soltam-se mais
facilmente. O substrato fica imerso durante 20 minutos para garantir que após a remoção do
óxido o processo de corrosão do silício atinja um equilíbrio dinâmico. Na etapa final o
substrato foi retirado da solução de desbaste e lavado com água deionizada para a retirada
total do NH
4
F remanescente, o que evita a criação de defeitos e pontos de oxidação na
superfície. Os substratos foram então secos com jato de nitrogênio gasoso e cortados com a
utilização de uma ponta de diamante. Uma parte foi colocada na câmara de vácuo para
deposição dos filmes finos de ferro e outra parte foi levada ao Microscópio de Força Atômica
para a análise da superfície. A Figura 7 mostra um esquema do processo de limpeza e
hidrogenização do substrato, inclusive chamando a atenção para a geometria deste durante o
processo de hidrogenização.
Figura 7 – Esquema representativo da limpeza e hidrogenização do substrato de silício, onde
estão explicitados a posição e a direção cristalográfica
112
do mesmo durante a
hidrogenização dentro do frasco.
25
3.2.3 Deposição dos Filmes Finos de Ferro
A técnica utilizada para a deposição dos filmes finos de ferro foi o desbaste iônico
magnético.
O desbaste iônico é um dos fenômenos que ocorre quando partículas colidem com um
sólido com energias entre 5 eV e 10 KeV. Estas colisões transferem energia aos átomos da
rede cristalina, fazendo com que estes sejam empurrados para novas direções e gerando
colisões em cascata. Neste processo, existe possibilidade de ocorrer ejeção de átomos da
superfície o que é denominado de desbaste iônico. Os átomos ejetados possuem energias de
10 a 100 eV.
69
Uma vez colocado o substrato na câmara de deposição, foi feito vácuo com o objetivo
de remover resíduos indesejáveis de componentes da atmosfera e das paredes da câmara. Ao
chegar a uma pressão de trabalho na ordem de 10
-7
Torr, injetou-se argônio de alta pureza
(99,999%) na câmara e ajustou-se a pressão no interior desta para a pressão de trabalho
quando então foi possível gerar e manter o plasma necessário para iniciar o processo de
desbaste iônico. O objetivo é ionizar estes átomos de argônio e acelerá-los para que colidam
no alvo, gerando então, o processo de desbaste iônico.
Na câmara temos gás argônio e dois eletrodos, um negativo (ou cátodo) que é o alvo
com o material a ser desbastado e o positivo (ou ânodo) onde se situa o substrato sobre o qual
se depositará o material desbastado e que resultará na amostra de interesse deste estudo.
O processo de desbaste iônico se inicia quando os eletrodos são ligados numa fonte de
tensão
DC, ou RF ou pulsada, mas como inicialmente não existem portadores de carga entre
os dois eletrodos, não existirá fluxo de corrente e a tensão será aplicada uniformemente entre
os dois eletrodos.
69,70
Para que o processo inicie (isto é, que ocorra a ionização dos átomos de
argônio e que estes sejam acelerados até o alvo), é necessária uma descarga luminosa que tem
origem quando elétrons livres aparecem, no campo elétrico existente entre o cátodo e o ânodo,
por conta da incidência de radiação cósmica. O primeiro elétron livre é, então, acelerado em
direção ao ânodo. Este elétron pode colidir com um átomo de Argônio e, pela conservação de
energia pode levar à ionização deste átomo ou à emissão de um ou mais fótons de luz. Se
ocorrer a ionização, teremos um íon livre e um elétron livre, e assim o processo se repete,
gerando a cascata de colisões num processo que é instável. A ionização dos átomos do
argônio é uma estratégia utilizada para que estes íons sejam acelerados e provoquem o
desbaste do alvo quando com ele colidirem.
26
Quando a pressão na câmara é de aproximadamente 7,5 mTorr, o efeito de desbaste
iônico passa a ser detectado. Com a descarga auto-sustentável, passa-se a ter um plasma que
consiste em um espaço de cargas com um número significativo e igual de elétrons e íons
positivos.
69,70
Para que o plasma seja formado e sustentado, existem alguns processos de desbaste
iônico: DC, RF, magnético e reativo.
33, 69, 70
Desbaste iônico por DC: desbaste iônico por aplicação de um potencial contínuo DC.
Desbaste iônico por RF: desbaste iônico por aplicação de um potencial alternado RF.
Desbaste iônico magnético por DC: desbaste iônico por aplicação de um potencial
contínuo DC na presença de um campo magnético.
Desbaste iônico magnético por RF: desbaste iônico por aplicação de um potencial
alternado RF na presença de um campo magnético.
Desbaste iônico Reativo por RF: desbaste iônico por aplicação de um potencial
alternado RF na presença de um campo magnético numa atmosfera gasosa reativa
(Argônio e Oxigênio), geralmente utilizada na deposição de óxidos.
No caso do desbaste iônico por DC, a fonte produz um campo elétrico acelerando os
elétrons em direção ao alvo e, no caminho, poderão causar a ionização do gás quando
colidirem com os átomos que o compõem. Estes íons, por sua vez, serão então acelerados pelo
campo elétrico e poderão causar desbaste iônico no alvo. O plasma é mantido pela produção
de elétrons secundários, que podem causar ionização subseqüente, aumentando a eficiência do
processo. Este processo é utilizado quando os eletrodos são condutores elétricos.
Para alvos isolantes, utiliza-se o processo de desbaste iônico por RF no qual a fonte
RF opera por meio de um potencial alternando AC aplicado aos terminais provocando uma
descarga luminosa que por sua vez gerará o plasma. A tensão AC opera em freqüências de
13,56, 27,12, ou 40,68 MHz
(especificados pela Federal Communications Comission – FCC
dos EUA),
sendo indicada por esta comissão, a freqüência de 13,56 MHz para processos de
geração de plasma. Neste processo, não há geração de elétrons secundários. Apenas os
elétrons acompanham a flutuação do campo, atingindo, assim, valores suficientes para
provocar a ionização através das colisões, pois os elétrons na freqüência de RF oscilam entre
os dois eletrodos. Os íons, por serem pesados, pouco interagem com o campo RF.
33
O desbaste iônico magnético proporciona um processo de desbaste muito mais
controlado e eficiente e consiste na aplicação de um campo magnético através da instalação
de ímãs na parte inferior do alvo (cátodo) com o objetivo de aumentar a eficiência de desbaste
27
através do confinamento do plasma próximo à superfície do alvo. Os elétrons produzidos no
alvo são acelerados contra o ânodo em um movimento helicoidal em torno das linhas do
campo magnético devido à presença do campo elétrico, consequentemente o tempo em que o
elétron fica no plasma aumenta e, portanto, a probabilidade de colisões é maior evitando
assim a recombinação dos íons com os elétrons (que é uma causa das limitações da eficiência
desta técnica).
69,70
.
Num processo denominado de pré-desbaste (
pre-sputtering) e que se executa na fase
anterior à deposição da amostra e logo após o plasma ter sido criado, deixa-se o obturador que
separa o substrato do alvo fechado temporariamente para que as contaminações que estão
sendo desbastadas da superfície do alvo não se depositem no substrato. Após a remoção das
primeiras camadas atômicas do alvo, o obturador é aberto, permitindo que o material
desbastado seja depositado no substrato. A taxa de deposição da amostra é uma medida
relativa da taxa de erosão do alvo e depende do material, distância do canhão ao porta-
amostra e potência utilizada. Um esquema ilustrativo do processo de desbaste pode ser visto
na Figura 8.
Foram utilizados dois processos para a confecção dos filmes em questão neste
trabalho: desbaste iônico magnético por RF (RF
magnetron sputtering) e desbaste iônico
magnético por DC (DC
magnetron sputtering).
A amostra S
245
foi depositada no Laboratório de Magnetismo do Instituto de Física da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LAM-UFRGS), utilizando Desbaste Iônico
Magnético por Rádio Freqüência (
RF Magnetron Sputtering).
As amostras S
60
e S
120
foram depositadas no Departamento de Física da Universidade
Federal de Pernambuco Utilizando Desbaste Iônico Magnético por Corrente Contínua (
DC-
Magnetron Sputtering
).
3.2.3.1 Sistema de Deposição do Laboratório de Magnetismo da UFRGS
O sistema de deposição tipo desbaste iônico magnético (RF ou DC), (
magnetron
sputtering)
do LAM, foi integralmente desenvolvido no laboratório e consiste em uma câmara
de vácuo de aço inox V304, com anéis de vedação de
neoprene, e com vácuo produzido por
uma bomba difusora (sob pré-vácuo mecânico) que utiliza óleo polifenil
Santovac 5 (óleo
produzido pela
Santovac Fluids, Inc) acoplada a uma armadilha de nitrogênio líquido. Esta
armadilha fica estrategicamente posicionada entre a câmara e a bomba difusora, tendo o
objetivo de evitar a contaminação da câmara com os óleos provenientes das bombas e
28
funcionando também como uma eficiente bomba criogênica, pois melhora o vácuo
"capturando" principalmente vapores de água e solventes orgânicos.
Dentro da câmara de deposição, é possível fazer seis amostras por vez, devido ao
conjunto de portas-amostra existentes e utilizando-se cinco materiais diferentes, pois existem
5 canhões acoplados ao sistema. Entre os portas-amostra e os canhões existe um obturador
para evitar o acumulo de material durante a deposição de um filme em outra amostra. O
equipamento possui duas fontes DC e duas fontes RF.
Figura 8 – Esquema ilustrativo do processo de desbaste iônico magnético (
magnetron
sputtering
).
Para a deposição do filme de ferro, a configuração do sistema ficou um pouco
diferente da convencional, o canhão utilizado e adequado para o alvo de ferro (38,1 mm de
diâmetro) é disposto numa posição mais baixa em relação aos outros dentro da câmara, sendo
assim, só foi possível fazer uma deposição por vez, com um porta-amostra adaptado (Ver
29
Figura 9) e o obturador foi acoplado no próprio canhão. Foram utilizados ímãs ao lado do
substrato durante a deposição, para induzir a direção de crescimento do filme. Os filmes de
ferro foram crescidos sobre os substratos de Si
111 hidrogenizados (descritos na seção
anterior), utilizando pressão de base na ordem de 10
-7
Torr, 10 minutos de pré-sputtering, taxa
de deposição de 0,6 Å/s (no modo RF) e pressão de deposição de 7,5 mTorr em atmosfera de
argônio.
Figura 9– Porta amostra utilizado para a deposição dos filmes finos de ferro.
3.2.3.2 Sistema de deposição da UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNANBUCO
O sistema de deposição é do tipo desbaste iônico de fabricação comercial da marca
Balzers modelo BSL 500. O vácuo na câmara de deposição é realizado por uma bomba turbo-
molecular. Na câmara, é possível fazer nove amostras por vez, devido ao conjunto de portas-
amostra existente sendo possível depositar quatro materiais diferentes. O equipamento possui
uma fonte DC e uma fonte RF. Entre o portas-amostra e os canhões existe um obturador para
evitar o acumulo de material durante a deposição sobre substratos vizinhos.
Foram utilizados ímãs ao lado do substrato durante a deposição para induzir a direção
de crescimento do filme. Os filmes de ferro foram crescidos sobre os substratos descritos na
seção anterior, utilizando pressão de base na ordem de 10
-6
Torr, 5 minutos de pré-sputtering,
taxa de 4,7 Å/s (DC) e pressão de deposição de 3,5 mTorr de atmosfera de argônio.
30
3.3 CARACTERIZAÇÃO MORFOLÓGICA
A caracterização morfológica dos substratos de silício hidrogenizados e dos filmes
finos de ferro foi feita utilizando a técnica de Microscopia de Força Atômica (AFM) fora do
ambiente de produção das amostras (
ex-situ), no modo contato.
3.3.1 Microscopia de Força Atômica (AFM) – Modo Contato
Esta técnica consiste na interação entre os átomos da superfície de uma amostra e os
átomos de uma sonda. Na ponta da sonda existe uma quantidade de aproximadamente três
átomos, que interagem através de potencial coulombiano com os átomos da amostra. A ponta
é aproximada gradativa e verticalmente da superfície da amostra que se move
transversalmente através de um transdutor piezoelétrico (
scanner). A ponta entra em contato
com a superfície e o sistema de realimentação do aparelho a mantém apoiada sobre ela com
uma força constante de maneira que o conjunto permita que se faça uma varredura da
superfície obtendo-se a sua topografia. O braço que sustenta a ponta sensora deflete
dependendo da diferença de altura dos diversos pontos da amostra, enquanto ocorre a
varredura para manter a força constante. O sistema de detecção deste movimento é composto
por um espelho localizado na parte superior da haste (atrás da ponta) que deflete um feixe de
luz que passa então por um fotodetector e provoca o aparecimento de uma diferença de
potencial, que é convertida posteriormente na imagem topográfica da superfície.
71
O microscópio utilizado foi um DI SPM IIIa fabricado pela Digital Instruments. As
ponteiras utilizadas foram fabricadas pela mesma empresa e são constituídas de silício com
constantes de força variadas (entre 0,1-1 N/m -da ordem de nN) e cujo esquema pode ser
observado na Figura 10.
31
Figura 10 – Esquema representativo do Microscópio de Força Atômica.
3.4 CARACTERIZAÇÃO MAGNÉTICA
A caracterização magnética das amostras foi feita utilizando um Magnetômetro-óptico
por Efeito Kerr (MOKE), montado e aprimorado no Laboratório de Magnetismo da UFRGS.
Existem dois fenômenos magneto-ópticos: Efeito Faraday e Efeito Kerr. Este último
foi descoberto em 1875 por John Kerr e é o efeito de rotação de um plano de polarização de
um feixe de luz durante a reflexão em uma amostra magnética. Este efeito consiste em uma
luz monocromática e polarizada que ao refletir sobre uma superfície magnética, interage com
o material modificando sua polarização. A origem do efeito provém de uma birrefringência
circular, ou seja, a onda incidente linearmente polarizada é resolvida em uma onda
circularmente polarizada à esquerda e em outra onda circularmente polarizada a direita com
distintos índices de polarização.
33, 72-73
A técnica de caracterização magnética por MOKE é muito utilizada em filmes finos
metálicos por apresentar maior sensibilidade se comparada às técnicas mais usadas, como por
exemplo, magnetometria de amostra vibrante (VSM). Além disto, por ser um fenômeno que
ocorre na superfície do material, com o efeito Kerr eliminamos interferências indesejáveis do
substrato e do suporte da amostra.
32
Considerando-se então a disposição espacial, o Efeito Kerr pode ser separado em três
tipos: transversal, longitudinal e polar. A Figura 11 representa os três tipos:
Figura 11 – Representação dos três tipos de Efeito Kerr.
O efeito Kerr polar é devido à componente da magnetização perpendicular ao plano da
amostra. Já o efeito Kerr longitudinal é devido à componente da magnetização no plano da
amostra e paralela ao plano de incidência da luz. Por último, o efeito Kerr transversal é
sensível à componente da magnetização paralela à superfície do material e perpendicular ao
plano de incidência da luz.
Como já foi comentado, para uma direção arbitrária de magnetização em relação ao
plano de incidência, que não seja normal, o sinal de MOKE detectado vai ser proporcional à
magnetização paralela ao campo magnético. Esta característica faz com que esta técnica seja
utilizada para obtenção de curvas de histerese, estudo de domínios magnéticos e aplicações na
tecnologia para armazenamento de dados.
33, 71-72
Neste trabalho, foi utilizada a geometria transversal. A vantagem de tal configuração é
que neste caso, a componente magnética da reflexão depende apenas da quantidade de
momentos magnéticos na direção do campo magnético aplicado.
O equipamento utilizado é composto de um sistema de amortecimento com molas,
para a redução dos ruídos mecânicos transmitidos pelo ambiente. Na Figura 12 é apresentado
um diagrama esquemático da montagem do equipamento que foi utilizada nos experimentos.
Um feixe produzido por um laser monocromático polarizado (λ = 650nm) é modulado
com uma frequência de 484 Hz que é determinada por um gerador de funções. A escolha foi
feita de forma a excluir as interferências de ruídos presentes no laboratório. Em seguida, a luz
passa por um divisor, onde parte do feixe é enviada para o fotodiodo de referência (para que
se crie um sinal de referência), e a outra parte é enviada para a amostra. O feixe refletido na
33
amostra passa pelo polarizador-analisador e, é capturado pelo fotodiodo onde o sinal
luminoso é convertido num sinal elétrico, pré-amplificado, e enviado a um amplificador
síncrono e sensível à fase (
Lock-in Amplifier), que detecta a diferença de sinal entre os
fotodiodos (da amostra e da referência) e, então, envia esta informação para o programa
HPVEE que faz a conversão dos sinais, organiza os dados em um arquivo e apresenta os
resultados na forma X-Y, onde no X tem-se o campo magnético aplicado (variável) e no Y o
sinal proporcional à magnetização na amostra gerando curvas de histereses magnéticas.
Figura 12 – Diagrama Esquemático do MOKE.
Curvas de histerese foram obtidas para as amostras girando as mesmas no plano de 10°
em 10° e onde necessário maior detalhamento de 5° em 5° entre 0° a 360°.
3.5 CARACTERIZAÇÃO RESISTIVA E MAGNETORRESISTIVA
A técnica aqui utilizada consiste em monitorar a variação da resistividade elétrica de
uma amostra em função do campo magnético aplicado. As medidas foram feitas utilizando
dois métodos: o método convencional de quatro pontas e o método de van der Paw
68
, onde os
34
contatos foram feitos com fios de cobre aderidos a amostra com uma cola à base de prata.
Para tanto, foi desenvolvido um porta-amostra que possibilitasse tal configuração.
A técnica convencional de quatro pontas se baseia em quatro eletrodos igualmente
espaçados e colineares, em que a pontas externas aplicam corrente (I) e as pontas internas
medem a diferença de potencial (V), ou seja, podemos medir a resistência elétrica diretamente
pela definição de resistência. A necessidade de alinhamento das quatro pontas consiste em
garantir que ao longo desta linha o campo elétrico seja uniforme.
74
As amostras foram depositadas com a utilização da máscara descrita na Seção 3.1. A
máscara foi projetada e confeccionada de modo a confinar a corrente elétrica em direções
específicas tais que se evitasse a contribuição das correntes de direções não desejadas. Se isto
não fosse feito haveria a necessidade de trabalhar com a resistividade na forma de tensor. Esta
configuração é discutida por Van der Paw.
68
As medidas resistivas e magnetorresistivas foram realizadas com aplicação de uma
corrente em diferentes direções da amostra. A Figura 13 apresenta um diagrama esquemático
do sistema adotado. A nomenclatura utilizada no texto, de agora em diante, segue as
definições representadas no diagrama, isto é, a primeira letra é a direção onde a corrente foi
aplicada e a segunda letra é a direção onde a diferença de potencial foi medida.
As medidas de quatro pontas convencionais foram realizadas nas quatro configurações
possíveis (Ver Figura 13), com a corrente sendo aplicada na direção A e a tensão medida na
direção A, com a corrente sendo aplicada na direção B e a tensão medida na direção B, com a
corrente sendo aplicada na direção C e a tensão medida na direção C e com a corrente sendo
aplicada na direção D e a tensão medida na direção D. Para cada uma destas configurações,
primeiramente, foi medida a tensão, sem campo externo aplicado e posteriormente calculada a
resistividade. Depois cada configuração foi medida com a aplicação de um campo magnético
externo que foi aplicado em diferentes direções com relação à aplicação da corrente elétrica
(45° em 45°), com a intenção de encontrar manifestações do efeito de magnetorresistência
anisotrópica, já que este pode ser interpretado como a dependência que a resistência elétrica
possui com relação ao ângulo entre a direção que é aplicada a corrente elétrica e a
magnetização.
As medidas que foram feitas utilizando o Método de van der Van der Paw
73
, foram
realizadas em quatro configurações em perpendicular, AC, CA, BD e DB, tais configurações
de medida foram utilizadas para detectar o efeito Hall planar.
35
Figura 13 - Para as medidas magnetorresistência os contatos foram feitos entre o fio condutor
e a amostra, utilizando cola prata (ver Detalhes das Conexões). A notação representa: as letras
A, B, C e D foram utilizadas para designar as direções da corrente aplicada e a direção sobre a
qual foi realizada a medida de tensão em relação ao centro do arranjo. Por exemplo: AA
significa que os terminais de tensão e de corrente foram instalados na direção A e a corrente
flui na direção A; AB corrente aplicada na direção e no sentido A e tensão medida entre os
terminais da direção B. Para os resultados de magnetorresitência, a nomenclatura inclui o
ângulo entre o campo magnético aplicado e a corrente, por exemplo, para um ângulo de 45°
na configuração AA, a nomenclatura será: AA45°.
36
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
4.1 DESCRIÇÃO DAS AMOSTRAS
Como já mencionado anteriormente, o objetivo deste trabalho foi estudar o
comportamento magnético, resistivo e magnetorresistivo de filmes finos de ferro com a
influência de suas características morfológicas e para isto foram preparados substratos de
Si
111 e fabricadas amostras de ferro na forma de filmes finos com as seguintes
características:
Amostra S
0
- Substrato vicinal de Si(111) – hidrogenizado
Amostra S
60
- Substrato vicinal de Si(111) - hidrogenizado /Fe(60Å)
Amostra S
120
- Substrato vicinal de Si(111) - hidrogenizado /Fe(120Å)
Amostra S
245
- Substrato vicinal de Si(111) - hidrogenizado /Fe(245Å)
A amostra S
245
foi depositada no Laboratório de Magnetismo do Instituto de Física da
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (LAM-UFRGS), utilizando Desbaste Iônico
Magnético por RF (RF
Magnetron Sputtering).
As amostras S
60
e S
120
foram depositadas no Departamento de Física da Universidade
Federal de Pernambuco Utilizando Desbaste Iônico Magnético por Corrente Contínua (DC
-
magnetron sputtering).
Neste capítulo serão apresentados os resultados das propriedades morfológicas,
magnéticas e de condução elétrica, as características das amostras estudadas neste trabalho e
as discussões referentes a estes resultados. Serão apresentadas: na seção 4.1 as imagens
obtidas por AFM; na seção 4.2 os resultados da caracterização magnética por MOKE; na
seção 4.3 os resultados da resistividade; e, por fim, na seção 4.4 serão apresentados os
resultados da magnetorresistividade.
4.2 RESULTADOS DA ANÁLISE MORFOLÓGICA
Nas imagens feitas no substrato hidrogenizado S
0
por AFM no modo contato,
mostraram a presença de um padrão de degraus provenientes da estrutura cristalográfica do
silício (Figura 14). O padrão possui em média 10Ǻ de altura e 40Ǻ de largura.
37
As imagens topográficas realizadas nos filmes finos depositados com ferro - S
60
, S
120
e
S
245
, - revelaram que para uma espessura pequena o padrão foi mimetizado pelo ferro
depositado. Por outro lado, conforme a espessura do filme foi aumentada, o padrão foi
desaparecendo. Na Figura 15(a) é mostrada a imagem da S
60
onde o padrão é reproduzido,
informações sobre a estrutura desta amostra estão no Anexo B. Na imagem topográfica da
Figura 15(b), percebe-se que o padrão não é reproduzido pela amostra S
120
e os vales são
cobertos pelo ferro, mas a estrutura de grãos é alongada e orientada ao longo da direção
paralela aos degraus. Na Figura 15(c) a imagem mostra que na S
245
os vales são cobertos e o
padrão não pode mais ser visto e o ferro é formado de grãos com distribuição aleatória.
Figura 14– Imagem obtida por AFM do substrato de silício (111) hidrogenizado (amostra S
0
).
38
4.2 RESULTADOS DA ANÁLISE MAGNÉTICA
As medidas de histerese magnética foram feitas em intervalos de 10° em 10° conforme
mencionado anteriormente. Com base nestas curvas foram obtidos os valores correspondentes
à coercividade e à remanência das amostras e apresentadas na forma gráficos polares na figura
16 que tornam mais fácil evidenciar o comportamento da anisotropia ferro sobre o substrato
vicinal que apresenta degraus e que provoca um crescimento diferenciado do filme.
Figura 15 – Imagens topográficas obtidas
por AFM das amostras (a) S
60
onde se
percebe que o padrão dos degraus da S
0
é
mantido. (b) S
120
onde percebe-se que os
vales são cobertos, mas o que resta da
memória do padrão ainda é visível com
grãos de ferro na forma alongada e
alinhada com os degraus. (c) S
245
onde o
padrão é indefinido e não é possível ver os
vales. Neste caso o ferro apresenta formas
granulares não alongadas e estão
aleatoriamente orientados.
39
As amostras S
60
e S
120
apresentam contribuições de anisotropia uniaxial sendo que na
amostra S
60
a contribuição é maior, resultado da auto-organização dos grãos que foi induzida
pela presença de degraus no substrato durante a deposição do filme.
Já a amostra S
245
apresentou um comportamento magnético típico de um sistema
isotrópico (geralmente associado a grãos aleatoriamente distribuídos e orientados) e a
contribuição da anisotropia uniaxial é menor do que a que apresentou a S
120.
Percebe-se que o
eixo magnético fácil está na direção próxima à dos degraus.
Figura 16-(a) Gráfico polar da magnetização remanente para as mesmas amostras. (b) Gráfico
polar do campo coercivo das amostras S
60
, S
120
e S
245
como função do campo magnético
aplicado. (os valores de coercividade da amostra S
245
estão divididos por dois para facilitar a
visualização).
Alguns resultados complementares sobre a relação entre o processo de confecção da
amostra e a análise magnética são apresentados no Anexo A.
(a)
(b)
40
4.3 RESULTADOS DO ESTUDO DA RESISTIVIDADE
Para determinar a influência da morfologia e da estrutura dos grãos na resistividade
das amostras, foram executadas medições pelo método padrão de quatro pontas, em diferentes
direções no plano das amostras e relativas ao eixo de anisotropia do filme, isto é foram
medidas as configurações AA, BB, CC e DD (Ver Figura 13), com a aplicação de uma
corrente de 1 mA, medida a tensão induzida por esta corrente. A resistência é obtida através
da definição de resistência, e com o valor da resistência calculamos o valor da resistividade.
Por se tratar de filmes finos, a resistência em questão é a resistência de folha e sua
relação com a resistividade é a seguinte:
70
l
R
wd
(15)
onde
é a resistividade, l é o comprimento do filme, w é a largura e d a espessura. (Valores
de l e w estão na Figura 1).
Os resultados são apresentados na Tabela 1, a precisão é determinada pelos
equipamentos de medida (multímetros) e consiste em três casas decimais. Vale observar as
variações da resistividade (ρ
D
-
ρ
A
/ρ
A
) em relação ao eixo de anisotropia. Para a amostra S
60
, a
mudança foi de 2,3 e para a amostra S
120
de 0,965. Este efeito não está relacionado a efeitos
magnetorresistivos, mas com a estrutura anisotrópica do filme devido à estrutura morfológica
dos grãos que são mais alongados na direção paralela aos degraus, isto é, direção A. Nesta
direção, inclusive, é onde se observa os menores valores de resistividade para as amostras que
apresentam anisotropia, pois nesta direção o caminho percorrido pelos elétrons é composto
por menos obstáculos. Na direção perpendicular ao alongamento dos grãos (direção C), a
resistividade é maior se comparada com a medida para a direção paralela aos degraus, devido
a maior quantidade de fronteiras de grãos no caminho que a corrente percorre. Nas
configurações BB e DD, os valores de resistividade são intermediários, pois a quantidade de
fronteiras de grãos é maior que na direção A e menor que na direção D.
Na amostra S
245
o resultado remete a um entendimento de que a resistividade tem
resposta isotrópica para medidas no plano.
Estes resultados são interpretados pelas hipóteses de Mayadas
3
e Rijks
13
, de que existe
uma contribuição eletrônica das reflexões nas fronteiras de grão. Quando os grãos são
anisotrópicos, a contribuição deve ser diferente dependendo da direção de medida. Por isto na
41
direção onde os grãos são mais alongados (menos fronteiras de grãos) a resistividade é menor
e este fator acaba sendo determinante para o valor da resistividade.
Tabela 1.
Resistividade (µΩ.cm) para as três amostras.AB
Configuração S
60
S
120
S
245
AA 0,465 0,585 1,85
BB 0,825 0,779 1,79
CC 1,5 1,11 1,81
DD 0,48 0,795 1,79
4.4 RESULTADOS DO ESTUDO DA MAGNETORRESISTIVIDADE
O objetivo do estudo da magnetorresitividade nestas amostras foi observar se os
efeitos de magnetotransporte somados a característica dos grãos alongados, que interfere na
resistividade, maximizam o efeito de mudança da resistividade ao aplicar-se um campo
magnético externo a um certo ângulo da corrente elétrica aplicada.
A investigação dos efeitos de magnetotransporte envolveu medidas elétricas por dois
processos diferentes: no primeiro, medidas de magnetorresistência em linha e no segundo,
medidas de efeito Hall planar, cujos contatos de corrente e tensão foram arranjados em
configurações não colineares, conforme será apresentado mais tarde. As três amostras foram
medidas em todas as variações de configurações, tanto quatro pontas, quanto efeito hall planar
e para variações angulares de 45° em 45°. Serão apresentados aqui os resultados com
variações maiores do que valores encontrados para ferro
bulk. O cálculo foi feito utilizando as
dimensões da amostra como pode ser visto na Figura 5.
Quando se aplicou um campo magnético externo e mediu-se a resistividade na
configuração padrão de quatro pontas, valores expressivos (maiores do que 2%) foram
obtidos apenas para a amostra S
60
, para algumas direções entre o campo magnético e a
corrente aplicada e para o caso da configuração de medição AA (Figura 17(a)) onde a corrente
é aplicada e a tensão medida na direção paralela aos degraus. A Figura 17 (b), (d) e (f)
42
mostram as curvas de magnetorresistência obtidas experimentalmente
AMR
AMR
, as curvas
(c), (e) e (g) são as curvas (b), (d), e (f) mostradas a uma escala de campo magnético menor.
No caso (b) o campo magnético foi aplicado em um ângulo de 15° e a magnetorresistência
obtida
AMR
AMR
foi de 22 %; no caso (c) o ângulo foi 45° e a variação detectada foi 30%; e
no caso (c) 90° foi o ângulo e 17 % a variação medida.
Estes valores demonstram que o ângulo entre o campo magnético aplicado e a direção
em que a corrente flui influencia na mudança da resistência da amostra, confirmando a
manifestação do efeito de AMR mediado pela presença de grãos anisotrópicos no filme.
Para as medidas de efeito hall planar (EHP) os contatos de corrente e tensão foram
dispostos perpendicularmente entre si. A Figura 18 (a) é um exemplo, onde a corrente fluiu na
direção B e a tensão foi medida entre terminais colocados na direção D (medida BD). Nesta
configuração, para a amostra S
120
, foram obtidas variações de resistividade
EHP
EHP
de 46%
e 26% para ângulos entre o campo magnético aplicado e a corrente de 45° e 315°,
respectivamente. (Ver Figuras 18 (b) e (d), novamente as curvas (c) e (e) são as curvas (b), e
(d) mostradas a uma escala de campo magnético menor).
Outro exemplo das medidas de Efeito Hall Planar está representado na Figura 19(a)
(medida AC), nesta configuração a corrente fluiu na direção A e a tensão foi medida na
direção C. As Figuras 19 (b), (d) e (f) representam três das curvas de magnetorresistência
EHP obtidas. No caso (b) o campo magnético foi aplicado em um ângulo de 45° em relação à
direção A da corrente elétrica - AC 45
o
- e a variação EHP obtida foi 520%. No caso (d)
configuração AC 225°a variação EHP foi 20%, e no caso (f) o campo foi aplicado a 270° -
AC 270
o
- e resultou em magnetorresistência positiva de aproximadamente 11,61% (refere-
se às medidas onde a resistência decai próximo ao campo externo zero), e negativa de
aproximadamente 59,6% (refere-se às medidas onde a resistência aumenta próximo ao campo
externo zero). As curvas (c), (e) e (g) são as curvas (b), (d), e (f) mostradas a uma escala de
campo magnético menor.
O efeito Hall planar nas amostras medidas apresentam valores maiores do que os
encontrados na literatura porque aqui a corrente é confinada em direções específicas devido
à máscara que é utilizada durante a deposição.
43
Figura 17 – Medidas de magnetorresistência
AMR
AMR
para S
60
, (a) Configuração de medida
AA. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) AA 15° apresentando variação
na resistividade de 22%. (c) Curva (b) em detalhe. (d) AA 45°, e variação de 30%. (e) Curva
(d) em detalhe. (e) AA 90° e 17% de variação. (f) Curva (g) em detalhe.
44
Figura 18 – Medidas de efeito hall planar
EHP
EHP
para S
120
. (a) Configuração de medida
BD. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) BD 45° apresentando variação
na resistividade de 46%. (c) Curva (b) em detalhe. (d) BD 315°, a variação cai a 26%. (e)
Curva (f) em detalhe.
45
Figura 19 – Medidas de efeito hall planar
EHP
EHP
para S
120
. (a) Configuração de medida
AC. Medidas experimentais realizadas nesta configuração: (b) AC 45° apresentando variação
na resistividade de 520%. (c) Curva (b) em detalhe. (c) AC 225°, a variação cai a 20%. (d)
Curva (e) em detalhe. (f) AC 270° apresentando magnetorresistência positiva de
aproximadamente 11,61%, e magnetorresistência negativa de aproximadamente 59,6%. (g)
Curva (f) em detalhe.
46
5 CONCLUSÕES
O objetivo do presente estudo foi entender com mais profundidade o comportamento
da magnetização, da resistividade e da magnetorresistividade de filmes finos de ferro,
depositados sobre silício vicinal por desbaste iônico na presença de um campo magnético
orientado
, em função da estrutura morfológica dos mesmos. Para tanto, foi necessária a
obtenção de substratos vicinais de silício que foram fabricados hidrogenizando Si
111 ,
onde foram depositados três filmes finos de ferro com espessuras de 60 Å (amostra S
60
), 120
Å (amostra S
120
) e 245 (amostra S
245
).
Para análise, foram medidas: imagens topográficas, utilizando um Microscópio de
Força Atômica; Curvas de Histerese, com um Magnetômetro-Óptico por efeito Kerr (MOKE)
e medições de resistividade e magneto-resistividade, através do método padrão de quatro
pontas e o método de Van der Paw.
73
A análise morfológica revelou que os filmes crescidos nestes substratos exibem grãos
orientados em um padrão que mimetiza os degraus do substrato, quando a espessura do filme
é menor que 245 Å e que possuem eixo maior nas direções paralelas aos degraus. A amostra
S
60
apresenta grãos distribuídos ao longo dos degraus do substrato mantendo sua morfologia
visível, enquanto a amostra S
120
mostra os degraus encobertos, sendo ainda possível ver os
grãos de ferro na forma alongada e alinhada com os degraus. Já na amostra S
245
o padrão se
torna indefinido e a visualização dos degraus é impossível. Neste caso o ferro apresenta
formas granulares não alongadas e estão aleatoriamente orientadas.
As curvas de magnetização obtidas por MOKE mostraram diferentes comportamentos
magnéticos para cada direção do campo aplicado. E deixaram claro que a proposta de indução
do crescimento do filme provocou uma anisotropia uniaxial nas amostras com menor
espessura, pois o eixo fácil de magnetização está ao longo da direção das estruturas mais
alongadas Já as amostras mais espessas não apresentam este comportamento e sim um
comportamento isotrópico.
A resistividade elétrica do sistema é visivelmente influenciada pela morfologia do
filme. Tal conclusão pode ser obtida através das medidas feitas pelo método padrão de quatro
pontas. Para a amostra mais anisotrópica resistivamente, a S
60
, a diferença percentual entre a
resistividade das direções A e B se aproxima dos 50% e a variação geral é de 230%. Para a
amostra S
120
a variação geral é de 96%. Para estas duas amostras a resistividade menor foi
obtida para a direção paralela aos degraus e quando a medida é feita na direção perpendicular
47
aos degraus (configuração CC), a resistividade é maior se comparada às mesmas medidas
feitas para outras as configurações (AA, BB, DD), pois o eixo dos grãos nesta direção é
menor que na direção paralela a estes, provocando maior espalhamento dos elétrons ao
percorrerem este caminho, isto é, como aumentou o número de obstáculos,
consequentemente aumentou a resistividade como propôs Mayadas
3
para filmes
policristalinos. Já para a amostra S
245
este comportamento não foi observado, pois esta
amostra não possui a mesma organização que as demais devido a sua espessura elevada.
Sendo assim, uma conclusão importante é que a resistividade do material depende da estrutura
e da orientação relativa entre os degraus (eixo maior dos grãos) e a corrente.
A magnetorresistividade também evidencia comportamentos anisotrópicos associados
com a estrutura morfológica. Para a amostra S
60
, medidas feitas pelo método padrão quatro
pontas com aplicação de campo magnético externo apresentaram resultados da ordem de 30%
para ângulo de 45° entre este e a corrente, e 17% para 90°, por exemplo. Neste último caso, os
valores elevados, se comparados aos valores usuais para o ferro (2%), se devem à
magnetorresistência anisotrópica mediada pela morfologia dos grãos que nesta direção são
mais alongados, portanto o número de fronteiras é menor diminuindo a resistência e
consequentemente a resistividade nesta direção.
As medidas de efeito Hall planar para a amostra S
120
, apresentaram resultados da
ordem de 20% e 50%, para o caso em que a corrente é aplicada na direção paralela aos
degraus (A) e a tensão medida na direção perpendicular aos degraus (C). Para esta mesma
configuração, com um ângulo entre a corrente e o campo magnético aplicado de 45°, temos
um resultado de 520%por volta dos 20 Oe (características importantes para serem usadas para
aplicações em sensores) e que é um valor expressivo se comparado a resultados existentes na
literatura
15-2
. Estes valores significativos provavelmente provém da manifestação do efeito
Hall planar que é maximizado pela peculiaridade da amostra ter sido depositada com uma
máscara de sombreamento, assim a corrente foi confinada, reduzindo as possibilidades de
novos obstáculos e também da menor resistividade existente na direção onde a corrente flui
devido às características morfológicas da amostra.
Em resumo, obteve-se amostras policristalinas que apresentaram, anisotropia resistiva
devido à indução do crescimento dos grãos no momento da deposição, através da técnica
utilizada e do substrato vicinal. Conclui-se que amostras que crescem mantendo o padrão de
degraus apresentam um comportamento que foi interpretado como sendo magnetorresistência
anisotrópica mediada pela morfologia dos grãos. Se o filme de ferro cresce sem manter o
padrão de degraus, mas mantendo a direção de crescimento dos grãos (mais alongados ao
48
longo dos degraus) observou-se associada à variação resistiva a manifestação do efeito hall
planar, o que ultimamente tem recebido atenção devido à importância na facilitação da
construção de sensores. Já a amostra espessa onde o crescimento dos grãos é aleatório, não se
observa nenhum efeito expressivo.
49
6 PERSPECTIVAS FUTURAS
Para completar o trabalho, é importante a construção de conjuntos de amostras com
variação sistemática dos parâmetros de deposição e com o objetivo de encontrar materiais que
apresentem grandes variações de suas propriedades de magnetotransporte e possam servir
como sensores de campo e outros dispositivos. Com um número maior de amostras e com
morfologias controláveis será possível complementar o estudo aqui realizado avaliando e
comparando de forma compreensiva as características estruturais, morfológicas e suas
propriedades resistivas e magnetorresistivas dos filmes e, ainda, propor modelos de
comportamento das mesmas em função dos parâmetros de deposição. Alguns ensaios
preliminares podem ser encontrados no Anexo A. A seguir, serão descritos alguns exemplos
de amostras onde o impacto da variação das condições de deposição nas propriedades dos
materiais podem ser avaliados.
6.1 CONJUNTO DE AMOSTRAS I e II
O que diferenciará os dois conjuntos de amostras aqui propostas será o processo de
desbaste iônico utilizado para a deposição dos filmes finos de ferro, de modo a avaliar a
influência do processo de geração de plasma no crescimento do filme. O primeiro conjunto
será depositado por desbaste iônico por aplicação de um potencial contínuo DC na presença
de um campo magnético. Já, o segundo conjunto, por desbaste iônico por aplicação de um
potencial RF na presença de um campo magnético. Apesar dos processos diferentes, as taxas
de deposição usadas serão as mesmas o que, a priori, não modifica a energia com a qual os
átomos chegam ao substrato no momento da deposição, reduzindo assim a variável apenas ao
método como o plasma é gerado.
Cada conjunto consistirá em três amostras de espessuras 60, 120 e 245Å.
Para os dois conjuntos, a limpeza e hidrogenização dos substratos será realizada como
descrito na subseção 3.2.2. A caracterização morfológica deverá ser feita por microscopia de
tunelamento (STM) e a caracterização estrutural e físico-química será feita por espectroscopia
de absorção de raios-x. As caracterizações magnéticas, resistivas e magnetorresitivas serão
realizadas da mesma forma que neste trabalho, portanto, e estão descritas no capítulo 3. Pode-
se fazer medidas de transporte em outras configurações a fim de determinar se existe a
manifestação do efeito Hall anômalo.
50
Os resultados obtidos serão comparados e discutidos.
6.2 CONJUNTO DE AMOSTRAS III e IV
Nestes dois conjuntos o processo de deposição será o mesmo, desbaste iônico por
aplicação de um potencial contínuo DC. O que diferenciará os dois conjuntos será a taxa de
deposição onde haverá a diferença de aproximadamente dez vezes de uma em relação à outra.
Cada conjunto também consistirá em três amostras de espessuras 60, 120 e 245 Å.
Com isto será possível avaliar o efeito da energia com que o átomo chega ao substrato.
75
A limpeza, hidrogenização, caracterizações estruturais, físico-químicas, magnéticas,
resistivas e magnetorresistivas serão realizadas utilizando as mesmas técnicas dos conjuntos
de amostras da seção 6.1.
51
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ANEXO A - COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES CONDIÇÕES DE
DEPOSIÇÃO DO FILME DE FERRO E SUA RESPOSTA MAGNÉTICA
Com o objetivo de entender mais detalhadamente a relação entre os parâmetros de
deposição do filme fino de ferro e sua resposta magnética, foram feitos vários estudos
complementares que serão apresentados neste anexo. Tais estudos consistem em variar os
parâmetros nos processos de preparação das amostras e depois comparar os resultados através
da caracterização magnética realizada por MOKE, seguindo o procedimento experimental
descrito na seção 3.4. As imagens apresentadas aqui foram feitas por Microscopia de Força
atômica, cuja metodologia foi apresentada na seção 3.3.
A seguir, serão apresentadas duas seções, em cada uma expondo os parâmetros
utilizados para a confecção das amostras e os resultados da análise magnética. A seção A1
tratará de uma amostra que foi depositada por RF-
magnetron sputtering e outra que foi
depositada por DC-
magnetron sputtering. A seção A2 mostrará duas amostras em que uma o
substrato de silício não possuía as estruturas de degraus. A seção A3 apresentará duas
amostras depositadas a taxas diferentes devido à mudança da corrente fornecida pela fonte
DC.
A1 MÉTODO DE DEPOSIÇÃO DIFERENTE
Nesta seção serão apresentadas duas amostras com espessura de 245 Å. A primeira é a
amostra S
245
apresentada no Capítulo 4. Esta amostra foi depositada por RF-magnetron
sputtering
no equipamento apresentado na subseção 3.2.3.1 com taxa de 0,7 Å/s e a outra
amostra foi depositada por DC
-magnetron sputtering no equipamento apresentado na
subseção 3.2.3.2 com tava de 4,7 Å/s. Ambas as amostras foram depositadas sobre o substrato
de silício vicinal (Si
111 ) hidrogenizado (procedimento descrito na subseção 3.2.2).
A Figura A1 mostra as imagens de AFM das duas amostras, em nenhuma é possível
reconhecer algum padrão. Percebe-se, no entanto que na amostra depositada por DC, existe
uma estrutura de grãos esferoidais não existente na amostra S
245
.
Não há registros de um estudo comparativo entre estas duas técnicas para o ferro.
Porém, para alguns materiais, os filmes por DC resultam amorfo formado por grãos e os
depositados RF, filmes cristalinos.
46-47
ii
Figura A1 – Imagens feitas por AFM. (a) amostra depositada por DC-
magnetron sputtering.
(b) RF-
magnetron sputtering.
Tecnicamente falando, embora seja mais fácil o processo de deposição com RF,
devido ao processo não necessitar da geração de elétrons secundários para que o plasma seja
mantido como acontece na DC, a taxa torna-se até dez vezes menor, isto mantendo os outros
parâmetros fixos. Se a taxa for muito baixa, o tempo de deposição aumenta o que pode ser
bom, pois os átomos de ferro que chegam ao substrato se acomodam, mas também pode ser
um empecilho já que aumenta a possibilidade de outros elementos presentes na câmara serem
depositados junto ao filme, já que a câmara não é de ultra-alto vácuo. Portanto os dois
processos são adequados para deposição de ferro, a escolha depende das características
pretendidas do filme. Magneticamente, pode-se ilustrar estas afirmativas com os resultados
obtidos das duas amostras analisadas nesta seção, a Figura A2 apresenta o gráfico polar para
campo coercivo e remanência das duas amostras, a amostra S
245
apresenta um comportamento
isotrópico, como já foi discutido, já a amostra depositada por DC apresenta anisotropia
uniaxial, provavelmente induzida durante a deposição, a forma de agrupamento dos átomos
no filme, em grãos esferoidais, provoca o crescimento do filme em forma de tiras, provocando
uma direção preferencial magnética, a anisotropia uniaxial apenas não é mais acentuada
devido a espessura elevada do filme. Já a amostra depositada por RF, é mais cristalina, além
de ser espessa, espessura esta que é quatro vezes maior que a espessura dos degraus, o que
explica a falta de rugosidade e anisotropia morfológica, o padrão se perdeu devido ao
aumento da espessura.
(b)
(a)
iii
Figura A2 – Gráfico polar para a variação angular da (a) Coercividade e (b) Remanência das
duas amostras.
A2 ESTRUTURA DE DEGRAUS DOS SUBSTRATOS
Nesta seção serão apresentadas duas amostras com espessura de 60 Å. As duas
amostras foram depositadas no equipamento apresentado na subseção 3.2.3.1 utilizando DC
-
magnetron sputterin
g e com a distância de 8 cm do alvo ao porta-amostra e com taxa de
deposição de 1 Å/s. Utilizando um substrato de silício vicinal (Si
111 ). A primeira passou
pelo processo de hidrogenização exatamente como está descrito na subseção 3.2.2. A
segunda também foi hidrogenizada, porém ao ser colocada no recipiente com NH
4
F (como
descrito na subseção 3.2.2) a direção do plano cristalográfico que foi posto na horizontal não
foi o
110 e sim foi o
112 .
A Figura A3 mostra as imagens de AFM para os dois substratos, o que foi
hidrogenizado no plano
110 ficou com a estrutura de degraus, o substrato que foi
hidrogenizado no plano
112
não.
(a) (b)
iv
Figura A3 – Imagens de AFM para os substratos de silício. (a) substrato hidrogenizado no
plano
110 . (b) substrato hidrogenizado no plano
112 .
A Figura A4 mostra as imagens feitas por AFM dos dois filmes onde se percebe que a
amostra que cresceu sobre os degraus acompanhou a morfologia do substrato, seguindo o
padrão de degraus, já a outra não cresceu em nenhum padrão.
Figura A4 – Imagens de AFM. (a) Filme e ferro crescido sobre o substrato com o padrão de
degraus. (b) Filme de ferro crescido sobre o substrato sem o padrão de degraus.
A Figura A5 mostra a variação angular da coercividade e remanência de 0° a 180°
para as duas amostras, fica evidente que a amostra crescida sobre o substrato com degraus é
mais anisotrópica magneticamente, a anisotropia uniaxial é tão evidente chegando que a
(a)
(b)
(a)
(b)
v
coercividade chega quase ao valor nulo e foram obtidas curvas de histerese peculiares como a
da Figura A6.
Figura A5 – (a) Variação angular do campo coercivo para as duas amostras. (b) Variação
angular da remanência para as mesmas amostras.
(a)
(b)
vi
Figura A6 – Curva de histerese peculiar obtida por MOKE para 58° com relação à direção
paralela aos degraus na amostra.
A indução do crescimento do filme fino de ferro através dos degraus da superfície do
silício, combinada com o processo de deposição por DC-
magnetron sputtering e o uso de
ímãs ao lado do substrato, são essenciais na indução de anisotropia uniaxial neste tipo de
amostra.
A3 DIFERENTES TAXAS DE DEPOSIÇÃO
Nesta seção serão apresentadas duas amostras com espessura de 60 Å. As duas
amostras foram depositadas no equipamento apresentado na subseção 3.2.3.1 utilizando DC
-
magnetron sputterin
g e com a distância de 8 cm do alvo ao porta-amostra. Utilizando um
substrato de silício vicinal (Si
111 ) que passou pelo processo de hidrogenização exatamente
como está descrito na subseção 3.2.2.
A fonte DC foi programada no modo corrente, porém com taxas diferentes. A amostra
que se chamará de A foi depositada com 0,5 A de corrente e taxa de 0,7 Å/s e a amostra que
chamarei de B foi depositada com corrente 0,05 A e taxa de 0,087 Å/s.
A Figura A7 mostra as imagens de AFM das duas amostras, onde a amostra A
apresenta uma morfologia de tiras e a amostra B uma composição mais arredondada que
provém, provavelmente do maior tempo que os átomos dispõem para se rearranjarem ao
chegar ao substrato.
vii
Figura A7 – Imagens de AFM. (a) Amostra crescida a 0,7 Å/s e (b) Amostra crescida a 0,087
Å/s.
Os eixos difíceis magnéticos para as duas amostras são mostrados na Figura A8.
Percebe-se que a diferença chega a quase 8 vezes no valor da coercividade. Apesar das duas
amostras possuírem carácter anisotrópico, e anisotropia uniaxial, com a taxa mais alta foi
possível chegar a valores de coercividade próximos a zero e até negativas, onde a curva de
histerese apresentada é invertida devido ao pequeno desvio no plano
111 , devido a
competição das anostropias o vetor magnetização fica fora do plano como é discutido e
interpretado na referência.
8
Figura A8 – Curvas de histerese para as duas amostras.
(a) (b)
viii
ANEXO B – ANÁLISE ESTRUTURAL DA AMOSTRA S
60
Com o objetivo de analisar a estrutura da amostra S
60
, bem como a existência de óxido
de ferro na superfície foi utilizada a técnica
Grazing Incidence X-ray Difraction, no
Laboratório de Conformação Nanométrica (IF-UFRGS).
Esta técnica consiste em combinar a Difração de raios-x de Bragg com a reflexão
externa das superfícies do cristal, sendo assim, a técnica mais adequada para análise de
estrutura em filmes finos.
Os parâmetros utilizados na medida foram 0,5° de ângulo de incidência, num
Difratograma
Shimadzu XRD6000. O Difratograma (Figura B1) apresenta os picos dos
elementos apresentados na Tabela B1, que foram interpretados pelo software
X´pert highscore
marca
Philips onde percebe-se que não existe uma camada de óxido na superfície da amostra
e esta forma um siliceto de ferro na interface entre o substrato de silício e o filme de ferro.
Não foi detectada a presença de oxigênio.
Position [°2Theta]
20 30 40 50 60 70
Counts
0
100
400
barb.rd
Figura B1 – Digratograma obtido pela técnica GXRD com ângulo de incidência de 0,5°.
ix
Tabela B1 – Dados fornecidos pelo programa *** ao analisar o Difratograma da Figura A1.
Cor Cód. De Referência Nome do composto Fator de
escala
Fórmula
Química
* 38-1397 Fersilicite, syn [NR] 0,000 Fe Si
* 06-0696 ferrite 0,000 Fe
* 27-1402 Silicon, syn 3,119 Si
* 35-1158 Silicon (alta pressão) 0,077 Si
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