Ambiti di Ricerca
L'attività di ricerca ha riguardato lo studio sperimentale di sistemi magnetici nanostrutturati, sistemi composti da almeno una fase magnetica ed una fase non magnetica modulate su scala nanometrica. Nella maggior parte dei sistemi di cui mi sono occupato, quelli di tipo nanogranulare, la fase magnetica era presente sotto forma di nanoparticelle disperse all’interno della fase non magnetica. In alcuni casi, invece, l’alternanza tra le due avveniva sotto forma di strati sottili.
A partire dall’inizio degli anni ’90, la scoperta della conducibilità elettronica spin-dipendente, la cosiddetta magnetoresistenza gigante (GMR), in sistemi metallici nanostrutturati ha amplificato notevolmente l’interesse verso questo tipo di sistemi, sia dal punto di vista applicativo che da quello della ricerca di base. La mia attività ha riguardato questa tematica, ed il mio contributo riguarda lo studio dell’effetto magnetoresistivo spin-dipendente e delle sue correlazioni con la struttura dei materiali e con le loro proprietà magnetiche. Questi tre aspetti, soprattutto nei sistemi di cui mi sono occupato, risultano strettamente legati tra loro e quindi il loro costante confronto permette una migliore analisi dei risultati.
I principali metodi per preparazione dei sistemi nanogranulari che ho studiato sono basati essenzialmente sulla tecnica di crescita via sputtering: dc-magnetron sputtering e dc-magnetron co-sputtering, di cui mi sono occupato direttamente presso il laboratorio di F. Ronconi, sito nel Dipartimento di Fisica di Ferrara, ed rf-sputtering, grazie alla collaborazione con F. Casoli, F. Albertini, L. Pareti e G. Turilli, dell’Istituto IMEM di Parma. Sempre grazie alle collaborazioni, ho potuto studiare anche le proprietà di sistemi nanogranulari prodotti per rapida solidificazione (P. Allia, Politecnico di Torino), ball-milling (L. del Bianco, Università di Bologna), Pulsed Laser Deposition (PLD) ed ultrashort Pulsed Laser depositino (uPLD) (L. Lanotte, Università di Napoli). Il confronto tra i risultati ottenuti con diverse tecniche di crescita è stato da me cercato in quanto le modalità di aggregazione delle fasi magnetiche e non magnetiche dipendono sensibilmente dalla tecnica di preparazione. La mia attività di ricerca in questo Dipartimento è stata svolta in collaborazione con F. Ronconi, D. Bisero, P. Vavassori e M. Tamisari.
Sistema nanogranulare Co-Cu
L’interesse verso questo tipo di sistemi è stato indotto dal fatto che la coppia di materiali studiata presenta generalmente un effetto GMR di notevole intensità. Essi sono stati preparati sia presso il laboratorio di F. Ronconi, dell’Università di Ferrara, che presso il laboratorio di crescita dell’IMEM di Parma. La metodologia che abbiamo utilizzato per preparare i sistemi nanogranulari è stata quella degli strati incompleti, ovvero la presenza di aggregati di Co di dimensione nanometrica è stata ottenuta alternando strati di Cu a strati di Co così sottili da indurne la frammentazione. Con questa metodica, infatti, si evitano alcune problematiche sperimentali connesse con altre tecniche di crescita. Le proprietà di questi sistemi sono state studiate al variare dello spessore degli strati di cobalto, in modo da individuare lo spessore cui avviene la transizione tra strati continui e non. Tale transizione è ben osservabile dal punto di vista magnetico, in quanto, al di sotto di uno spessore critico, il comportamento dei sistemi passa da ferromagnetico a superparamagnetico. Questo termine rappresenta il fatto che i grani di materiale ferromagnetico possono essere generalmente descritti come dei singoli momenti magnetici di grande intensità (super) ed indipendenti (paramagnetici).
Grazie a questi sistemi abbiamo potuto studiare come la dimensione media, d, degli aggregati magnetici influenzi la conducibilità spin dipendente dei sistemi nanogranulari da diversi punti di vista considerando, ad esempio, l’effetto di d sulle interazioni interparticella e sulla corrispondente lunghezza di correlazione, sulla dispersione dimensionale degli aggregati, sulla struttura cristallina dei materiali e sulla rugosità all’interfaccia tra materiale magnetico e non magnetico. L’analisi di parte di questi aspetti è stata resa possibile dalla collaborazione con il gruppo della beamline ID01 ad ESRF; grazie ad essa, ed alle misure di scattering X in incidenza radente che ho effettuato presso ID01, mi è stato anche possibile approfondire il legame tra le proprietà morfologiche e strutturali di un materiale e la modalità con cui esso viene cresciuto.
Sistema nanogranulare Fe-Ag
Oltre a quanto riportato, i dati raccolti sul sistema Co-Cu ci avevano confermato che l’interdiffusione tra materiale magnetico e non magnetico, alla loro interfaccia, può ridurre l’effetto GMR. Ci siamo quindi rivolti verso il sistema Fe-Ag, in quanto questi due metalli all’equilibrio risultano immiscibili. Grazie a questa caratteristica, al fine di produrre un sistema nanogranulare è stato necessario usare tecniche di crescita che mantengano il sistema fuori dall’equilibrio termodinamico durante la fase di produzione, come la dc-cosputtering deposition e la uPLD.
L’analisi preliminare svolta sui materiali prodotti ha permesso di valutare quale sia l’effetto della concentrazione relativa di Fe sulle loro proprietà magnetiche e resistive, al fine di individuare in quali condizioni fosse possibile produrre una dispersione di particelle magnetiche. La sintesi di questi risultati, in parte svolta in collaborazione con il gruppo di P. Allia, è stata effettuata tenendo conto anche di quanto ottenuto dalla caratterizzazione Mössbauer, da noi svolta, e da quella effettuata in collaborazione con A. Deriu mediante misure di scattering di neutroni polarizzati a basso angolo (SANSPOL). L’obiettivo che ci eravamo posti era di studiare l’effetto della dispersione del Fe in Ag sulla GMR. Questo al fine di estendere quanto riportato in letteratura per sistemi granulari a sistemi caratterizzati più generalmente dalla presenza di disomogeneità magnetiche. L’accesso alla scala su cui si presentano tali disomogeneità è stato reso possibile sviluppando un opportuno metodo di analisi. Ciò che abbiamo osservato è come il forte disordine composizionale e morfologico indotto dalla metodologia di crescita, ovvero la presenza di disomogeneità magnetiche aventi una notevole gamma di lunghezze caratteristiche, sia il punto di forza di questi sistemi. In particolare, esso permette l’ottenimento di un segnale GMR superiore a quello osservato nel caso dei Co-Cu. Inoltre, grazie alla presenza di piccoli cluster di Fe in matrice d’argento, ovvero di disomogeneità magnetiche su piccola scala, si è potuto osservare come la conducibilità spin-dipendente si osservi anche nel limite in cui la dimensione del cluster tenda a zero, cosa non precedentemente osservata in letteratura. Evidenze di tale fine dispersione si sono anche avute dalle misure di diffrazione X, effettuate da M. Sacerdoti, e dalle analisi SQUID da noi effettuate, che indicano una forte somiglianza tra le proprietà di questi sistemi e quelle dei vetri di spin.
Risultati analoghi a quelli ottenuti sul sistema FeAg sopra descritto sono stati ritrovati anche sui sistemi prodotti nel laboratorio di L. Lanotte usando la tecnica uPLD, un risultato che indica come l’approccio proposto sia sufficientemente generale da poter essere adattato anche a sistemi prodotti con tecniche di crescita molto diverse tra loro.
Le tematiche studiate, in particolare quella relativa alla conducibilità spin-dipendente, mi hanno permesso di poter lavorare anche su sistemi non specificatamente granulari. Grazie alla collaborazione con G. Gubbiotti e G. Carlotti ho potuto infatti analizzare le proprietà di sistemi detti a valvola di spin, formati da due strati di materiale magnetico separati da uno strato non magnetico. Le proprietà magnetiche e resistive di questi sistemi sono fortemente influenzate dalle interazioni che si instaurano tra gli strati magnetici e la cui intensità dipende dallo spessore dello strato non magnetico. Lo studio di tali interazioni può avvenire sia analizzando le proprietà magnetiche delle valvole che quelle magnetoresistive. Io mi sono occupato di questa parte, sfruttando l’effetto magnetoresistivo ti tipo anisotropo per osservare come l’orientazione relativa delle magnetizzazioni degli strati variasse in funzione del campo applicato.
L’esperienza maturata nel campo dei materiali nanogranulari mi ha recentemente portato ad occuparmi, in collaborazione con L. del Bianco, del comportamento dei sistemi granulari Ni-NiO caratterizzati dalla presenza di interazioni di scambio (exchange-bias). Tali interazioni si sviluppano quando una fase magnetica soffice, ovvero facilmente riorientabile dal campo magnetico, interagisce magneticamente con una fase dura, eventualmente antiferromagnetica, di più difficile riorientazione. Tale interazione induce un’orientazione preferenziale nel materiale soffice, ovvero un’anisotropia uniassiale. Lo studio di questo fenomeno è stato intrapreso sia per l’interesse che esso riveste nell’ambito dello studio dei materiali nanogranulari sia perché esso ci permetterà di poi di poter applicare le conoscenze acquisite sul fenomeno exchange-bias nel campo dei sistemi a valvola di spin, un campo che sta riscuotendo un notevole interesse nell’ambito della sensoristica.
