Estudo por HRTEM de nanoestruturas magnéticas Abreu C1

Estudo por HRTEM de nanoestruturas magnéticas
Abreu C1 - 1UFPE - Departamento de Física
A fabricação de arranjos de nanofios magnéticos tem chamado a atenção por motivos
acadêmicos e por suas possíveis aplicações como meio de gravação magnética perpendicular.
Para preparar estes arranjos em grande extensão têm-se utilizado fundamentalmente
membranas porosas em qualidade de nano-molde para depositar os fios em seu interior. As
membranas mais utilizadas são as de policarbonato e as de óxido anódico de alumínio ou
simplesmente membranas porosas de alumina. As primeiras (membranas poliméricas) têm
geralmente espessuras entre 5 m e 50 m com diâmetro de poro desde 10 nm até 300 m.
Na fabricação de arranjos de nanofios, os poros das membranas podem ser preenchidos
por eletrodeposição, polimerização, sol-gel, etc., dependendo da natureza do material a ser
depositado. Para estudos magnéticos são tipicamente fabricados nanofios de níquel, ferro e
suas ligas, pois são materiais magneticamente moles e qualquer anisotropia magnetocristalina
não se interpõe grandemente aos efeitos das interações dipolares que são muito fortes nestes
sistemas e constituem o maior problema estudado na atualidade.
Desde a década de 1950 o estudo de fios magnéticos longos vem chamando a atenção
da comunidade cientifica. Para determinar os modos de reversão da magnetização nestes
sistemas têm sido utilizadas tradicionalmente, as equações de Brown, o método variacional e
outras aproximações. Entre os modos sugeridos com maior frequência, encontram-se o de
rotação coerente, curling e buckling. Desde o início apareceram contradições entre os resultados
teóricos e experimentais, e parte destes problemas permanecem até os dias de hoje. Quando
arranjos de nanofios são estudados as interpretações complicam ainda mais, devido às
interações entre fios. Diversos grupos tentam resolver este problema utilizando simulação
computacional sendo que, o tempo de cálculo aumenta muito rapidamente com o número de
fios colocados no arranjo. É por isto que os trabalhos computacionais apresentam cálculos para
uma dezena de fios, no máximo. A grande problemática no caso se refere ao grande número de
defeitos existentes na superfície dos fios quando têm dimensões nanométricas. Uma forma
eficiente de estudar estes defeitos é utilizando microscopia eletrônica de alta resolução, HRTEM.
Com a finalidade de explicar o comportamento magnético de arranjos de nanofios
magnéticos em matrizes nanoporosas de Al2O3, diversos grupos têm trabalhado nos últimos
anos. As conclusões mais significativas nestes trabalhos são:

Os modos curling e coerente (para um fio contínuo) não são satisfatórios quando
comparadas as suas consequências ao comportamento real dos arranjos, pois resultam em
valores do campo coercitivo e da quadratura que diferem dos resultados experimentais.

Os modelos computacionais, mesmo sendo numerosos, não cobrem a realidade destes
sistemas, tratando os fios como perfeitos e utilizando-se poucos fios no arranjo devido à
dificuldade de cálculo. Como mostraremos mais na frente, isto não se justifica quando
explicamos as propriedades de arranjos extensos, pois as interações dipolares são de longo
alcance e não podem ser desconsideradas, mesmo quando os fios encontram-se
distanciados.

HC mostra, com o diâmetro dos fios, o mesmo comportamento que sistemas de partículas
nanométricas. Seu valor também aumenta com o comprimento dos fios até um limite
máximo de saturação (fios longos).

O campo de anisotropia, HA é linear com o fator de empacotamento dos fios no arranjo e
mostra uma mudança de sinal para um determinado valor crítico do parâmetro
mencionado. No trabalho de Encinas-Oropesa se propõe que a mudança aconteça em P =
1/3. Esta proposta é satisfatória ao modelo proposto pelos autores e apresenta-se em boa
concordância com os dados experimentais.

O campo de anisotropia efetiva, HA tem sido reportado com valores diferentes, mesmo
quando crescidos em membranas semelhantes, podendo ser este fato relacionado com a
cristalinidade ou o comprimento dos fios. Um exemplo destes será tratado na discussão do
modelo aqui proposto.
Estes aspectos nos levam a desenvolver um modelo realístico para descrever arranjos de
nanofios ferromagnéticos. De acordo com os resultados poderemos propor para HA a expressão
genérica: H A  2M S   P , sendo P o fator de empacotamento dos fios.  e  são
parâmetros que refletem as características estruturais e morfológicas dos fios e do arranjo.
Todos estes parâmetros podem ser previstos utilizando técnicas refinadas de microscopia
eletrônica. Trabalhos prévios nossos mostram como determinar estes parâmetros utilizando
métodos de cálculos analíticos quando adotado o modo uniforme de reversão da magnetização.
Neste trabalho pretendemos aprofundar mais nossos estudos. Dessa forma iremos propor
novos modelos que expliquem o comportamento dos sistemas aqui mencionados. A grande
diferença será o uso de HRTEM como ferramenta determinante no estudo das estruturas e
permitindo assim prever as configurações dos momentos dependendo da morfologia e dos
defeitos existentes na superfície dos fios.