Desenvolvimento de um magnetômetro de gradiente alternado de

dx.doi.org/10.7437/NT2236-7640/2013.03.002
Notas Técnicas, v. 3, n. 3, p. 11–16, 2013
Desenvolvimento de um magnetômetro de gradiente alternado de campo para nanoestruturas
magneticamente macias
Anderson Gomes Vieira, Diego Ernesto González Chávez e Rubem Luís Sommer
Laboratório de Magnetismo Aplicado, Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas CBPF/MCTI Rua Dr. Xavier Sigaud 150, Urca, 22290-180 Rio de Janeiro RJ, Brasil
Este trabalho relata o desenvolvimento de um magnetômetro de gradiente de campo alternado ou AGFM
(Alternating Gradient Field Magnetometer) com sensibilidade adequada à caracterização magnética de nanoestruturas típicas fabricadas no LABNANO/CBPF. O magnetômetro desenvolvido apresenta alta resolução em
campo magnético, sensibilidade de momento magnético de aproximadamente 10−7 emu e opera em temperatura ambiente. Foram testados vários tipos de sensores piezoelétricos e hastes para uso no cabeçote de medida
(sistema eletromecânico ressonante). Os melhores resultados foram obtidos com haste de comprimento 90 mm
e diâmetro 0,8 mm operando em 2,164 kHz.
This work reports the development of an Alternating Gradient Field Magnetometer (AGFM) with sensitivity suitable to characterize the typical magnetic nanostructures produced at LABNANO/CBPF. The developed
magnetometer has high resolution in magnetic field and it is capable of measuring magnetic moments as low
as 10−7 emu at room temperature. Several kinds of piezoelectric sensors and glass/quartz rods were tested in
order to use them in the measuring head (resonant electromechanical unit). The best results were obtained with
90 mm long, 0.8 mm diameter rods operating at 2.164kHz.
1.
INTRODUÇÃO
A caracterização magnética de filmes finos e nanoestruturas demanda instrumentos com alta sensibilidade em momento magnético como os magnetômetros do tipo SQUID
(Superconducting Quantum Interference Device) ou de
amostra vibrante (VSM). Estes magnetômetros são tipicamente projetados para operar em baixas temperaturas e campos máximos de até 90 kOe, produzidos por bobinas supercondutoras e todo o conjunto fica instalado em um grande
criostato. Em algumas configurações, o VSM pode ser montado sobre um eletroímã com núcleo de material magnético
macio capaz de para aplicar campos até no máximo 25 kOe
na amostra em estudo. Neste caso, a variação de temperatura
(acima ou abaixo da temperatura ambiente) é obtida com um
criostato ou forno acoplado ao magnetômetro em si. A caracterização magnética típica de um material sintetizado em
laboratório, para estudos em física básica, consiste em obter sua curva de magnetização em função do campo externo
(M×H) a uma dada temperatura ou uma curva da magnetização em função ou temperatura a um dado valor de campo
externo. Muitas vezes é necessária a variação de ambos os
parâmetros. Os magnetômetros convencionais tem um problema intrínseco que é o tempo necessário para realizar uma
medida, tipicamente de 1 ou 2h. Não são raros os casos em
que uma medida dura 12 ou 24h. Isso limita fortemente
o número de amostras que podem ser medidas por dia por
equipamento. Por outro lado, é comum qualquer projeto de
pesquisa em física aplicada levar à produção de um número
grande de amostras nanoestruturadas cuja caracterização necessita ser realizara em temperatura ambiente. Muitas vezes
não são necessários campos maiores do que algumas poucas
centenas de Oersted (1 Oe = 79,8 A/m). Nestas circunstâncias, é possível utilizar um circuito magnético baseado em
bobinas de Helmholtz para aplicação de campo, que por sua
vez pode ser variado muito rapidamente. Para detecção do
momento magnético, uma montagem comum é o uso de um
magnetômetro de amostra vibrante que tipicamente produz
bons resultados até 10−5 emu (1 emu=A.m2 ). Outra abordagem, adotada neste trabalho, consiste em melhor que os 16
bits da fonte Kepco utilizada. A vantagem é, além da velocidade maior do que num VSM, pode-se atingir sensibilidades
tão altas como 10−8 emu, comparável aos melhores magnetômetros do tipo SQUID existentes no mercado. Neste trabalho, descrevemos o desenvolvimento de um magnetômetro
de gradiente alternado de campo com sensibilidade de 10−7
emu, capaz de realizar medidas de M×H muito rápidas em
temperatura ambiente e campos até +/ − 300 Oe. A velocidade de media permite aumentar a capacidade de caracterização magnética de laboratórios acadêmicos ou industriais de
magnetismo. O equipamento pode ter sua sensibilidade posteriormente aumentada até o limite conhecido de 10−8 emu
eliminando as fontes de erro relatadas no trabalho.
Este trabalho está estruturado com o segue: na Seção 2,
apresentamos o princípio de funcionamento do magnetômetro de gradiente de campo alternado; na Seção 3, descrevemos detalhes da montagem desenvolvida, na Seção 4 apresentamos os resultados obtidos com diversas hastes e materiais analisados e discutimos as fontes de erro nas medidas.
Na Seção 5 apresentamos as conclusões e considerações finais do trabalho.
2.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO AGFM
O magnetômetro de gradiente de campo alternado é um
instrumento baseado em três partes: (1) um circuito magnético capaz de gerar campos magnéticos uniformes e com
12
Anderson Gomes Vieira et al.
valor controlável na região da amostra. Este circuito pode
ser do tipo aberto, produzido por solenóides ou bobinas de
Helmholtz, ou do tipo semi-fechado, como o obtido com
um eletroímã. Para isto é necessário uma fonte de corrente ou tensão controlável e um medidor de campo magnético para completar o circuito magnético [1,2]. (2) Um sistema de bobinas para produção de um gradiente de campo.
Alimentando-se estas bobinas com um gerador de funções,
o gradiente passa a ser um gradiente de campo alternado,
com frequência e magnitude controláveis [1,2]. (3) O sistema eletromecânico (ver Figura 1 abaixo) constituído por
uma haste de quartzo ou vidro com um porta-amostras em
uma das extremidades e um sensor piezoelétrico planar em
outra. O sensor é conectado, por sua vez, a uma massa inercial e sistema de conectores para extração do sinal. Quando
a haste é flexionada, um sinal aparece nos terminais do sensor piezoelétrico. Quando uma amostra é montada no portaamostras e magnetizada pela aplicação do campo magnético,
esta adquire um momento magnético efetivo m. Com a circulação de uma corrente alternada nas bobinas de gradiente,
a amostra sofrerá a ação de uma força definida pela expressão (1) abaixo. Se a frequência do gradiente alternado for
igual ou próxima à frequência natural do sistema eletromecânico (similar a um pêndulo de torção), podemos observar que
mesmo uma força magnética pequena (gradiente pequeno
e/ou momento magnético pequeno) produzirá uma oscilação
observável no sistema piezo+haste+porta amostra , que poderá ser facilmente medida por um voltímetro sensível à fase
(amplificador lock-in) [3]. A Figura 2 mostra a voltagem rms
medida em um sistema eletromecânico típico de um AGFM,
onde pode ser observada a ressonância do sistema.
por [1,4]:
0
Fx = mx
∂hx
∂x
!
,
(1)
A relação entre voltagem V medida nos terminais do sensor piezoelétrico e a força Fx que age na amostra é dada
por[1]:

2 
δ
1
−
t p2
V


= 3.G. (l p + lh ) . g31 . 
(2)
,
Fx
2.w p .t p
onde
f0
G( f ) =
fn
Q
(1 − A2 )
(3)
e
Q =
f0
fB − fA
(4)
Nas expressões (2-4), G é um ganho mecânico que vale
1 (um) quando as bobinas gradiente de campo estão alimentadas por corrente continua e vale Q quando o sistema está
na frequência de ressonância fundamental. Q é o fator de
qualidade mecânica (vide a Figura 2), f0 é a frequência fundamental do conjunto (amostra, haste e piezoelétrico). As
frequências fA e fB estão definidas na Figura 2 e correspondem às frequências nas quais a magnitude do sinal em fase é
a metade do valor máximo [1]. δ é a espessura dos contatos
do piezoelétrico, g31 é o módulo ou coeficiente piezoelétrico
transversal de tensão, lh é o comprimento da haste, l p é o
comprimento do piezoelétrico, w p é a largura do piezoelétrico, t p é a espessura total do piezoelétrico. Note-se que esta
nomenclatura vale para piezoelétricos bimorfos que têm uma
estrutura como a mostrada nas Figura 1 acima.
Figura 1: Sistema eletromecânico básico do AGFM. A amostra com
momento magnético m orientado ao longo do eixo x da figura sofre
a ação de uma força oscilante de frequência f . Se o conjunto portaamostras+haste+piezoelétrico tiver uma frequência de ressonância
próxima o igual, a oscilação será fortemente amplificada.
O piezoelétrico limita a oscilação ao eixo x, de forma que
a força gerada pelo gradiente de campo nesta direção é dada
Figura 2: Voltagem de saída em fase em função da frequência do
gradiente de campo alternado sobre a amostra, durante uma ressonância [1,4].
13
CBPF-NT-007/13
3.
MONTAGEM EXPERIMENTAL
A Figura 3 mostra o diagrama de blocos da montagem
do AGFM executada neste trabalho. O conjunto eletromecânico, bobinas de Helmholtz e bobinas de gradiente foram
instalados no interior de um rack fechado de 19”. O conjunto
eletromecânico foi isolado das bobinas por uma suspensão
especial constituída de uma massa inercial suspensa por cordas dinâmicas. O rack foi montado sobre uma caixa de areia.
Todo este cuidado é necessário para minimizar ruídos acústicos captados pelo sensor piezoelétrico. Adicionalmente, o
rack metálico tem um bom efeito de blindagem contra campos elétricos
e magnéticos
na frequência
da rede
elétrica.
O
da rede elétrica.
O amplificador
de potência,
o amplificador
lock-in
e o computador
de
amplificador
lock-in
e o com2. Bobinas de Helmholtz utilizadas no magnetômetro. As setas verdes mostram os
controle foram
instalados de
em potência,
outro rack o
de amplificador
19". Para alimentar
as bobinas
deFigura
gradiente,
dos campos
magnéticos
bobinas, quando
as correntes
elétricas estão As
no mesmo
putador de controle foram instalados em outro rack de 19".sentidosFigura
4: Bobinas
de nas
Helmholtz
utilizadas
no magnetômetro.
utilizamos o gerador senoidal interno do amplificador lock-in.
Para alimentar as bobinas de gradiente, utilizamos o geradorsentido.setas verdes mostram os sentidos dos campos magnéticos nas bobisenoidal interno do amplificador lock-in.
nas, quando as correntes elétricas estão no mesmo sentido.
Características
Resistência Elétrica das bobinas em (Ω)
(
Características
Valores
1,05
Valores
Corrente máxima para o fio (A)
20
Resistência
Elétrica
Campo máximo
com as
bobinasdas
em bobinas
série (Oe)
(Oe em (Ω)
1,05
340
Corrente
máxima
paraaplicado
o fio (A)
Resolução
em campo
magnético
(Oe)
20
0,1
Tabela 1. Características
das
as bobinas
Helmhoem série (Oe)
Helmholtz.
Campo máximo
com asdebobinas
340
Resolução em campo magnético aplicado (Oe)
0,1
Para
ra as bobinas de gradiente foram usinados carretéis de fenolite com diâmetro
Tabela 1: Característicasdas bobinas de Helmholtz
externo 10 mm e espessura 2 mm. A Tabela 2 mostra as características básicas das bobinas de
gradiente. .
Características
Características
Resistência Elétrica das bobinas em (Ω)
Resistência Elétrica das bobinas em (Ω)
(
Corrente máxima para o fio (mA)
Corrente máxima para o fio (mA)
Valores
226,6
9,0
Indutância das bobinas em série (mH)
12,84
Capacitância das bobinas em série (µF)
1,45
Indutância das bobinas em série (mH)
Capacitância das bobinas em série (µF)
(
Valores
226,6
9,0
12,84
1,45
Frequência
de ressonância
dassérie
bobinas
Frequência
de ressonância
das bobinas em
(Hz) em série (Hz) 1166,4 1166,4
Gradiente
Campo
com 1nasVbobinas
aplicado
nas bobinas
Gradiente
de Campode
com
1 V aplicado
em série
(Oe/cm) 3,65
3,65
em série (Oe/cm)
Tabela 2.Características
Características
das bobinas de gradiente.
Figura 1.Componentes básicos do magnetômetro de gradiente de campo alternado montado
neste trabalho.
Figura 3: Componentes básicos do magnetômetro de gradiente de
campo alternado montado neste trabalho.
entre
As bobinas de Helmholtz utilizadascomo fonte de campo magnético estão representadas
na
Tabela 2: Características das bobinas de gradiente
-20 V até +20 V (com passo de 5 mV) e corrente de
saída
no
intervalo de -20 a +20 A (com passo de 5 mA). Ela
Figura 4. Para construí-las foi utilizado fio de cobre 09 AWG num total de 28 kg e com cada
As bobinas de Helmholtz utilizadas como fonte de campo
pode ser operada (manualmente ou via computador) tanto no
bobina contendo
18 camadas
de 14 espiras enroladas
em 4.
um Para
carretel
de alumínio com
magnético
estão representadas
na Figura
construímodo voltagem quanto no modo corrente [5].
aproximadamente
de espessura.
Um corte
realizado
cadade
carretel
para evitarAa medida do sinal produzido pelo sistema eletromecânico
las foi 3mm
utilizado
fio de cobre
09foi
AWG
numemtotal
28 kg.
bobinainduzida
foi construída
comde18campo
camadas
de a14medida.
espirasO cortefoifoifeita por um Amplificador Lock-in digital modelo SR830
circulação Cada
de corrente
pela variação
durante
enroladas
em
um
carretel
de
alumínio
com
aproximadamente
dasãoempresa Stanford Research Systems. Ambos, amplifipreenchido com epóxi para garantir resistência estrutural ao conjunto. Detalhes adicionais
3mm de espessura. Um corte foi realizado em cada carretel
cador lock-in e fonte de corrente, permitem o controle reapresentados na Tabela 1.
para evitar a circulação de corrente induzida pela variação de
moto via cabo GPIB, através das linguagens de programação
campo durante a medida. O corte foi preenchido com epóxi
PYTHON 2.7.3 ou C++ [5,6].
para garantir resistência estrutural ao conjunto. Detalhes adiO sensor do magnetômetro montado neste trabalho é comcionais são apresentados na Tabela 1.
posto
6 de duas folhas de material piezoelétrico cerâmico separados por uma folha de latão ou FeNi.Todas as partes são
Para as bobinas de gradiente foram usinados carretéis de
isoladas eletricamente uma da outra. Neste trabalho testafenolite com diâmetro externo 10 mm e espessura 2 mm. A
mos dois tipos de sensores piezielétricos bimorfos: PZT-5J e
Tabela 2 mostra as características básicas das bobinas de graPZT-5H (PZT: PbZnx Ti1−x O3 com 0<x<1), produzidos pelo
diente.
empresa Steiner & Martins Inc. Os melhores resultados foram obtidos com o sensor PZT-5J, mostrado na Figura 5[8].
Para alimentar as bobinas de campo magnético, foi utilizada uma fonte de corrente programável da marca KEPCO
A Figura 6 mostra a haste utilizada durante a montagem do
modelo BOP 20-20M. Esta fonte fornece voltagem de saída
7
isoladas eletricamente uma da outra. Neste trabalho utilizamos dois tipos de sensores
mais estabilidade é o pico em 2.164
2
Hz e atinge amplitude de sinal igual 230 µV com u
piezielétricos: PZT-5J
5J e PZT-5H
PZT
(PZT: PbZnxTi1-xO3 com 0<x<1),, produzidos pelo empresa
sinal de 1 V, a variação de sinal menor que 1%Anderson
nas condições
da montagem.
14Steiner & Martins Inc. Os melhores resultados foram obtidos com o sensor PZT-5J,
Gomes
Vieira et al.
PZT
mostrado
na Figura 5[8].
Transdutor piezoelétrico PZT-5J
PZT
utilizado neste trabalho, todas as dimensões na
Figura 5.Transdutor
Figura estão em mm. (a) As dimensões de comprimento e largura, já
já (b) contém a espessura e
Figura
5: Transdutor piezoelétrico
PZT-5J utilizado
neste trabalho,
direçãoo de polarização das cerâmicas[8].
cerâmicas
todas as dimensões na Figura estão em mm. (a) As dimensões de
comprimento
já (b)
contém
a espessura
A Figurae 6largura,
mostra a haste
utilizada
durante
a montagem e
do direção
magnetômde pomagnetômetro.
Várias
larização
dimensõesdas
de cerâmicas[8].
hastes foram utilizadas e os melhores resultados foram obtidos com as
dimensões: 0,8 mm de diâmetro e 90 mm de comprimento associada piezoelétrico PZT-5J.
PZT
A
objeto, sendo que em Python todos os dados são considerados objetos (ou seja, qua
amostra e fixada com graxa de vácuo, eventualmente reforçada com fita de teflon.
Figura 7.Varredura em frequência de 1 até 5.000
5 000 Hz, com o passo de 0,1 Hz.
variável possui
um valor e um conjunto de operações associadas)[9].
Figura 7: Varredura em frequência de 1 até 5.000 Hz, com o passo
magnetômetro. Várias dimensões de hastes foram utilizadas
de 0,1 Hz
8
e os melhores resultados foram obtidos com as dimensões:
No inserto
da Figura 7 podem ser observados mais detalhes do pico de ressonância em 2.1
2
0,8 mm de diâmetro e 90 mm de comprimento conectada ao
Hz com dois valores de amplitude de onda senoidal aplicada
aplicada sobre as bobinas de gradiente.
gra
piezoelétrico PZT-5J por epoxi ou cola do tipo de secagem
4.
RESULTADOS
soft are escrito na linguagem
ultra-rápica. A amostra é fixada com graxa de vácuo, even- Para controlar o experimento, foi utilizado um software
IV -programação
Resultados
tualmente reforçada com fita de teflon.
amação Python 2.7.3, padrão de junho de 2011. Esta é uma linguagem orientada
Para testar
o magnetômetro
realizadas
medidas
de de mat
Para testar
o magnetômetro
foramforam
medidas
amostras
típicas
curvas de M × H para uma série de amostras nanoestruturananoestruturados
produzidas no
noCBPF.
CBPF.Para
Nastodas
medidas
foi utilizada
uma varredur
dos produzidas
as medidas
aqui apresentadas,
foi
utilizada
uma
varredura
de
campo
+300Oe
campo+300 Oe → -300 Oe → +300 Oe. No que segue, será feita uma breve→
descrição de
−300Oe
→
+300Oe.
No
que
segue,
será
feita
uma
breve
amostra e apresentada a curva de magnetização correspondente.
descrição de cada amostra e apresentada a curva de magnetização correspondente.
Amostra
1.Multicamada
magnética 67 2 8
/:;< 10 8
1
0,5 8
? 50/67 2
Multicamada
magnética
Amostra
1. com 0,50 mm
sobre substrato
de Si(100)
de espessura (Figura 9). Esta
amostra foi prod
Ta(2 nm)/[Py(10 nm)Ag(0, 5 nm)] × 50/Ta(2 nm) so-
no Laboratório
Superfícies
Nanoestruturas
do mm
CBPF
A espessura
bredesubstrato
de eSi(100)
com 0,50
deem.
espessura.
Estatotal de ma
amostra foi
produzida
Laboratório
de Superfícies
magnético (permalloy)
foi de
500 nm.Ono
resultado
obtido para
esta amostra eestá apresen
c)=
na
Figura 8.
Nanoestruturas do CBPF. A espessura total de material
magnético (Py=permalloy) é de 500 nm. A curva de M × H
para esta amostra
apresentada na Figura 8.
magnética
utili
utilizada,ela
é
feita
de
vidro
borosilicato
borosilicato.
Os está
melhores
Figura 6: Haste não magnética utilizada,ela é feita de vidro borosi-
não
resultados
com as
dimensões
obtidos licato.
com Os
asmelhores
dimensões
(a,foram
b, obtidos
c) = (90
mm,
0,8 (a,
mm e 0,1 mm).
b, c) = (90 mm, 0,8 mm e 0,1 mm)
Com a montagem
acima descrita
realizada uma
varrem acima descrita
foi realizada
umafoivarredura
em
frequência na faixa 1 Hz-5
dura em frequência na faixa 1 Hz-5 kHz para determinar as
de ressonância
e escolher o ponto
de operaçãoo ponto de operação do
minar asfrequências
frequências
de ressonância
e escolher
do magnetômetro. O resultado é apresentado na Figura 7, na
qual podem
ser observados
picos de
108 podem ser observados
O resultado
ado
é apresentado
naquatro
Figura
7. ressonância:
Nesta figura,
Hz, 356 Hz, 1.063 Hz e 2.164 Hz. Destes, o que apresenta
mais estabilidade
o picoHz,
em 2.164
que atinge
uma amressonância:
108 Hz, é356
1 Hz,Hz
1.063
e 2.164
Hz. Destes, o que apresenta
plitude de sinal igual 230 µV com um sinal de 1 Vrms aplicado nas bobinas de gradiente. Nesta frequência, a flutuação
e é o pico
em 2.164
2
Hz e atinge amplitude de sinal igual 230 µV com um
do sinal é menor do que 1% nas condições da montagem.
No inserto
da Figura
podem
observados mais
detaariação de sinal
menor
que71%
nassercondições
da montagem.
lhes do pico de ressonância em 2.164 Hz com dois valores
de amplitude de onda senoidal aplicada sobre as bobinas
de8.Curva de magnetização do filme de 500 nm. O momento magnético de satura
Figura
gradiente.
Tempo
de de
medida:
9 minutos.
Amplitude
da de
excitação
3,89x10-3 emu.
Figura
8: Curva
magnetização
do filme
com 500nm
espessuradas bobina
gradiente: 1 V.
Número
pontos: 246.
total
de Py. de
O momento
magnético de saturação é 3,89x10−3 emu.
Para controlar o experimento, foi utilizado um software
Tempo de medida: 9 minutos. Amplitude da excitação das bobinas
escrito na linguagem de programação Python 2.7.3, padrão
de gradiente: 1 V. Número de pontos: 246.
de junho de 2011. Esta é uma linguagem orientada a objeto,
sendo que em Python todos os dados são considerados objetos (ou seja, qualquer variável possui um valor e um conjunto
Amostra 2. Filme fino de Py(50 nm) sobre um substrato de
de operações associadas)[9].
Si(100) com espessura 0,50 mm. Dimensões:3,2 mm de
Amostra 4.Válvula de spin com estrutura de 67 2 8 /;< 20 8 /@A 25 Å /
CBPF-NT-007/13
Amostra 2. Filme fino de ;< 50 8
;< 20 8 /CDE8 15 8 /67 2 8
depositada sobre Si (100) com 0,50mm de
15
sobre um substrato de silício (100) com espessura
0,50resultado obtido para esta amostra está apresentado na Figura 11.
espessura.O
mm.Dimensões:3,2
mm de
comprimento
2,75 mmAdecurva
largura.O
obtido parasura.O
esta resultado obtido para esta amostra está apresentado
comprimento
e 2,75
mm de elargura.
de resultado
M × H para
esta amostra está apresentada na Figura 9.
na Figura 11.
amostra está apresentado na Figura 9.
Amostra 2. Filme fino de ;< 50 8 sobre um substrato de silício (100) com espessura 0,50
mm.Dimensões:3,2 mm de comprimento e 2,75 mm de largura.O resultado obtido para esta
amostra está apresentado na Figura 9.
Figura9. A curva de magnetização do filme de 50 nm de permalloy. O momento
magnético
Figura
11.Curva de histerese de uma válvula de spin com duas camadas de 20 nm de
-4
de saturação
emu.Tempo
de medida: do
9 minutos.
Amplitude
da esexcitação
das
Figuraé 3,46x10
9: Curva
de magnetização
filme com
50 nm
Figura
11: Curva
de histerese
de uma
válvula das
de bobinas
spin com
Py.Tempo
de medida:
16 minutos.
Amplitude
da excitação
de duas
gradiente: 4 V.
de permalloy.
momento
é
bobinaspessura
de gradiente:
1 V. Número deOpontos:
246. magnético de saturação Número
camadas
com20 nm de espessura.Tempo de medida: 16 minutos.
de pontos:Py392.
3,46x10−4 emu.Tempo de medida: 9 minutos. Amplitude da exAmplitude da excitação das bobinas de gradiente: 4 V. Número de
de gradiente:
de pontos:
246
pontos: 392
Figura9.citação
A curvadas
de bobinas
magnetização
do filme de1 V.
50 Número
nm de permalloy.
O momento
magnético
fino de
silício (100)
3. Filme
-4 permalloy com espessura 5 nm sobre um substrato deAmostras
5 e 6. Redes de micro objetos magnéticos. Foram medidas duas estruturas deste
deAmostra
saturação
é 3,46x10
emu.Tempo de medida: 9 minutos. Amplitude da excitação
das
bobinas
gradiente:
1 V. Número
de pontos: 246.
micro
Foram
Amostras
5 ediscos
6. Redes
de 0,50demm
de espessura.
Dimensões:2,8
mm de comprimento e 2,1 mm tipo:
de largura.O
um
conjunto de
(Figurade12)
e um objetos
conjunto magnéticos.
de elipses (Figura
13), que foram
medidas duas estruturas deste tipo: um conjunto de discos
Amostra 3. Filme fino de permalloy com espessura 5 nm soresultadobre
obtido
esta amostra
está apresentado
na Figura
10.espessura. Diconfeccionadas
de Si/SiOde
uma área
4x4 mm²
de litografia por
(Figurasobre
12) substrato
e um conjunto
elipses
(Figura
13), através
que foram
umpara
substrato
de Si(100)
de 0,50
mm de
2 com
permalloy
com
espessura
5
nm
sobre
um
substrato
de
silício
(100)
Amostra mensões:2,8
3. Filme fino demm
confeccionadas sobre substrato de Si/SiO2 com uma área
de comprimento e 2,1 mm de largura. A
feixe elétrons. Cada
disco da rede possui diâmetro circular de 1,224 µm com espessura
4 × 4 mm2 através de litografia por feixe elétrons. Cada disco
M × HDimensões:2,8
para esta amostra
apresentada
na Fide 0,50 curva
mm dedeespessura.
mm de está
comprimento
e 2,1 mm
de largura.O
daPyrede
possui por
diâmetro
de 1,224
µm com
gura 10.
50 nm de
e separados
800 nm.circular
Já as elipses
têm dimensões
deespessura
eixo maior 2,557 µm,
resultado obtido para esta amostra está apresentado na Figura 10.
50 nm de Py e separados por 800 nm. Já as elipses têm dieixo menor
1, 474 µm
espessura
de 50
Py. As
curvas
de magnetização
das amostras
mensões
de eeixo
maior
2,8557deµm,
eixo
menor
1, 474 µm
e espessura
50 nm dedevórtices
Py. As
curvaspresentes
de magnetização
apresentam
a assinatura de
da estrutura
magnéticos
neste tipo de material.
das amostras apresentam a assinatura da estrutura de vórtices magnéticos presentes neste tipo de material.
Figura 10. A curva de magnetização do filme de 5 nm. Com o valor 2,3x10-5 emu de
momento magnético. Amplitude da excitação das bobinas de gradiente: 1 V. Número de
pontos: 246.
12
Figura 10. A curva de magnetização do filme de 5 nm. Com o valor 2,3x10-5 emu de
11
10: Curva
de magnetização
do bobinas
filme dede50gradiente:
nm de permalmomentoFigura
magnético.
Amplitude
da excitação das
1 V. Número de
loy. O momento magnético de saturação é 3,46x10−4 emu.Tempo
pontos: 246.
de medida: 9 minutos. Amplitude da excitação das bobinas de gradiente: 1 V. Número de pontos: 246
11
Figura12.Curva de magnetização de vórtices obtida em uma estrutura de discos
Figura 12: Curvadedepontos:
magnetização
de vórtices
obtida
uma esnanoestruturados.Número
802. Tempo
de medida:
52 em
minutos.
Amplitude da
de
discos
nanoestruturados
de
Py.
Número
de
pontos:
802.
de excitaçãotrutura
das bobinas de gradiente: 4 V.
Amostra 4. Válvula de spin com estrutura
Ta(2 nm)/Py(20 nm)/Cu(25)/Py(20 nm)/IrMn(15 nm)
/Ta (2 nm) depositada sobre Si (100) com 0,50mm de espes-
Tempo de medida: 52 minutos. Amplitude da excitação das bobinas
de gradiente: 4 V
16
Anderson Gomes Vieira et al.
5.
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
Os resultados obtidos mostraram que o magnetômetro de
gradiente alternado construído possui sensibilidade aproximada de 10−7 emu para medidas de momento magnético e
é capaz de realizar medidas nos materiais nanoestruturados
com rapidez (tempo típico para obtenção de uma curva
M×H de cerca de 10 min) quando comparados com os
tempos típicos para realização de medidas similares em
magnetômetros do tipo VSM e SQUID. O circuito magnético com bobinas de Helmholtz permite a caracterização de
materiais magnéticos macios e a determinação de campos
coercivos com boa resolução. Esta pode ser melhorada
Figura 13. Curva de magnetização de vórtices obtida em estrutura de utilizando-se
elipses
conversores analógico-digitais com resolução
Figura 13: Curvadedepontos:
magnetização
de vórtices
obtida52emminutos.
estrutura
nanoestruturados.Número
802. Tempo
de medida:
Amplitude
da que os 16 bits da fonte Kepco utilizada. O circuito
melhor
excitaçãode
daselipses
bobinasnanoestruturadas
de gradiente: 4 V.de Py. Número de pontos: 802. Tempo
de excitação pode ainda ser substituído por um eletroímã, o
de medida: 52 minutos. Amplitude da excitação das bobinas de
que permite a caracterização de materiais nanoestruturados
gradiente: 4 V
com campos coercivos e campos de saturação mais altos.
13
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