GMM
Grupo de Materiales Magnéticos
E

l GMM se dedica al estudio experimental del magnetismo a escalas nanométricas. Dispone de múltiples cámaras de vacío para la deposición combinada de nanopartículas, capas delgadas y multicapas mediante pulverización catódica (sputtering) para espesores desde décimas hasta centenas de nanómetros. A partir de la medida de propiedades magnéticas, estructurales y de transporte de los nuevos materiales fabricados, pretende profundizar en el conocimiento de la física de materiales a esas escalas, y en la optimización de esas propiedades de cara a las aplicaciones.

Líneas de investigación

Sistemas de multicapas magnéticas Tierra rara - Metal de transición

Una de las líneas de investigación con más trayectoria del GMM es el estudio de multicapas (MLs) magnéticas obtenidas por sputtering de Tierras Raras y Metales de Transición. En concreto, se han estudiado las multicapas Gd/Co. Estos dos materiales son ferromagnéticos, pero presentan un acoplamiento entre ellos perfectamente antiparalelo, que junto con las distintas temperaturas de orden de cada uno hacen que estas MLs presenten una gran variedad de configuraciones magnéticas.

El GMM ha trabajado extensamente en obtener experimentalmente estas multicapas magnéticas y estudiar y caracterizar sus propiedades estructurales, magnéticas y de transporte eléctrico. Experimentalmente estas MLs presentan el problema de una fuerte interdifusión asimétrica entre el Gd y el Co en el proceso de crecimiento. Esto produce unas MLs formadas por aleaciones amorfas de GdCo y Co lo que complica el estudio de las mismas. El GMM ha desarrollado un proceso con el que conseguir MLs de gran calidad estructural y con intercaras muy bien definidas entre las capas sustituyendo el Gd puro por aleaciones de GdCo. 

Todos estos estudios han dado como fruto varios artículos científicos y dos tesis doctorales de dos de los miembros del GMM:

  • “Caracterización estructural y magnética del sistema Gd/Co” Juan Pedro Andrés González (2000)
  • “Interdifusión, propiedades magnéticas y de transporte eléctrico en multicapas basadas en Gd/Co” Juan Antonio González Sanz (2002)

Nanopartículas Magnéticas

Una segunda línea principal de investigación se ha basado en la fabricación y estudio de nanopartículas (NPs) magnéticas. En esta línea se ha estado trabajando en lo siguiente: 

  • Estudio de interacciones entre partículas:

Partiendo primero de multicapas frustradas en las que una capa magnética se hacía tan fina que se rompía generando partículas dispersas en una matriz metálica. Se estudiaron las distintas interacciones magnéticas (dipolar, indirecta RKKY) entre las partículas en función del material entre ellas.

  • Nanopartículas con estructura Núcleo – Corteza:

Mediante oxidaciones controladas, se generaron NPs con estructura núcleo (core) – corteza (Shell) de Co – CoO. Por el carácter antiferromagnético del CoO, el Co ferromagnético este tipo de NPs presenta un claro fenómeno de Exchange-Bias, cuya utilidad para aplicaciones tecnológicas es enorme.

  • NPs obtenidas por agregación en fase gas (cluster-gun).

Se ha desarrollado una instalación con un cañón de NPs (cluster-gun) que genera NPs por la técnica de agregación en fase gas. Esta técnica permite obtener NPs con un gran control en sus tamaños y características. En dicha instalación se pueden obtener películas de NPs y también sistemas de NPs en matrices de otros materiales. Se han realizado estudios con partículas Co/CoO mediante un control de la oxidación de las NPs de Co puro y también el efecto de distintas matrices en propiedades de esas NPs, como en el Exchange –Bias.

Heteroestructuras de óxidos magnéticos y multiferroicos

La línea más reciente iniciada por el grupo va enfocada a la construcción de una nueva instalación de sputtering para la deposición de óxidos cerámicos. En concreto, se busca obtener heteroestructuras en forma de multicapa que permitan el control del estado magnético de una capa ferromagnética de cobaltita (LaSrCoO3), a través del carácter antiferromagnético de óxidos multiferroicos como YMnO3 y RMnO3 (R=Dy, Lu), dando esto lugar a un efecto de Exchange bias con la cobaltita ferromagnética.

Investigadores
  • Dr. Juan Pedro Andrés González. Profesor titular de Universidad.

Dto. Fisica Aplicada. Escuela de Ingenieros Industriales. Ciudad Real.

               Juanpedro.andres@uclm.es.

               Telf. 926395300 ext 3827 

  • Dr. Ricardo López Antón. Profesor titular de Universidad.

           Dto. Fisica Aplicada. Fac. de Ciencias y Tecnologías Químicas de Ciudad Real.

             Ricardo.Lopez@uclm.es

            Telf. 926395300 ext 3481

  • Dr. Juan Antonio González Sanz. Profesor titular de Universidad.

    Dto. Fisica Aplicada. Fac. de Ciencias y Tecnologías Químicas de Ciudad Real.

            J.A.Gonzalez@uclm.es

            Telf. 926395300 ext 3428

  • Miriam Sánchez PerezEstudiante de doctorado

           Dto. Fisica Aplicada. Escuela de Ingenieros Industriales. Ciudad Real.

           Miriam.Sanchez23@alu.uclm.es

           Telf. 926395300 ext 96376

Equipamiento e infraestructuras

Equipos de deposición por pulverización catódica (“sputtering”) 

Cámara de alto vacío esférica de fabricación propia

Cámara de vacío multifuncional con diversos puertos confocales CF. Presiones de hasta 10-7 mbar. Puede utilizarse para fabricar películas delgadas de nanopartículas metálicas de tamaños entre 5 y 10 nm, con la posibilidad de embutirlas en diferentes matrices (metálicas o aislantes). En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Cañón de nanopartículas
  • Dos magnetrones de 3’’ con obturadores independientes automatizados
  • Portamuestras rotatorio montado en brazo retráctil.
  • Medidor de ritmos de deposición de cuarzo QCM montado sobre brazo retráctil.
  • Control electrónico del flujo de gases.

Equipo de sputtering Boc-Edwards Auto Coating System 500

Equipo ideal para la fabricacion de películas delgadas y multicapas de hasta 3 materiales diferentes (preferentemente metálicos). En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Cámara de vacío con refrigeración integral por agua.
  • Tres magnetrones de 3’’ con sistema de obturadores automatizado.
  • Controlador electrónico de flujo de gases de 2 canales.
  • Plataforma portasustratos caldeable hasta 500ºC y con movimiento de rotación automatizado.
  • Dos fuentes de radiofrecuencia (300W y 600W)

 Cámara de alto vacío esférica para deposición de óxidos cerámicos

Su uso está enfocado actualmente a la fabricación de películas altamente ordenadas de óxidos cerámicos con estructura perovskita. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Cámara de vacío multifuncional con diversos puertos confocales CF.
  • Presiones de hasta 10-7mbar. 
  • Un magnetrón de 2’’ con obturador automatizado
  • Portamuestras caldeable hasta 1000ºC
  • Controladores electrónicos de flujo de gases

Equipos de caracterización magnética

Magnetómetro SQUID Quantum Design MPMS XL con EverCool

Equipo de medida de propiedades magnéticas (imanación, susceptibilidad AC) de altísima sensibilidad. Mediante el suministro de botellas de He gas mantiene automáticamente el sistema interior de He líquido permanentemente. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Medidas hasta 5T.
  • Rango de temperaturas: 2 a 400K.
  • Sistema Evercool de liquefacción de Helio.
  • Medidas DC y AC.

Magnetómetro VSM, marca LDJ9600

Equipo de rutina para realizar medidas magnéticas rápidamente, especialmente  a temperatura ambiente. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Campos hasta 1,5T
  • Rango de temperaturas de 4,2 a 475K mediante criostato de helio liquido de flujo abierto.

Equipo Oxford MagLab EXA

Equipo de medida mixto que incluye propiedades magnéticas y de transporte eléctrico desde He liquido hasta 400K y a alto campo magnético. Funciona mediante el suministro constante de He líquido. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Medidas hasta 9T
  • Rango de temperaturas: 2 a 400K
  • Portamuestras para medidas de resistividad eléctrica (2 muestras)
  • Portamuestras Cantilever para medidas de torque magnético

Equipo de medida de efecto Kerr transversal (MOKE)

Equipo de medida útil para la caracterización superficial de películas magnéticas muy delgadas.

Equipos de caracterización estructural

Difractómetro de rayos X Bruker D8 Advance

Equipo versátil para la medida de difracción de polvo y reflexión de películas delgadas y multicapas. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Configuración Theta – Theta.
  • Tubo de rayos X: radiación Cu Kα
  • Espejo Göbel para producir haz paralelo.
  • Portamuestras especial para medidas de reflectividad.
  • Detector 0D puntual de centelleo.
  • Detector 1D LynxEye.
  • Software de análisis: EVA, LEPTOS.

Equipamiento complementario

Criostato de flujo cerrado de Helio

Permite la realización de medidas de resistencia eléctrica y magneto-óptica. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Rango de medida en temperaturas: 8K – 320K.
  • Mide varias muestras simultáneamente

Horno tubular de vacío

Permite realizar calentamientos en materiales pequeños hasta 1200ºC en vacío o en diferentes atmósferas controladas, al tiempo que puede medirse resistencia eléctrica. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Tubo de cuarzo
  • Temperatura máxima: 1200ºC
  • Equipo de vacío: rotatoria y bomba turbomolecular

Estufa de mufla

Permite calentar muestras de gran tamaño en atmosfera NO controlada. En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Temperatura máxima: 1200ºC
  • Posibilidad de crear protocolos complejos de cambio de temperatura.

Microscopio metalográfico Olympus BX50

En la actualidad la cámara está equipada con:

  • Doble fuente para trabajar por reflexión y por transmisión.
  • Luz polarizada.
  • Cámara de vídeo y cámara réflex digital para toma de imágenes.

Selección de publicaciones

“Maximizing exchange bias in Co/CoO core/shell nanoparticles by lattice matching between the shell and the embedding matrix.” J.A. González, J.P. Andrés, R. López Antón, J.A. De Toro, P.S. Normile, P. Muñiz, J.M. Riveiro and J. Nogués. Chemistry of Materials 2017 (in press)

“Exchange Bias Optimization by Controlled Oxidation of Cobalt Nanoparticle Films Prepared by Sputter Gas Aggregation”, Ricardo López Antón Juan A. González, Juan P. Andrés, Peter S. Normile, Jesús Canales-Vázquez, Pablo Muñiz, José M. Riveiro and José A. De Toro, Nanomaterials 2017, 7, 61.

“High enhanced magnetization in carbon-doped Mn3Ga thin films”, R.M. Gutiérrez-Pérez, J.T. Holguín-Momaca, C.R. Santillán-Rodríguez, Ricardo López Antón, M.T. Ochoa-Lara, N.R. Flores-Holguín, F. Espinosa-Magaña, J.A. Matutes-Aquino, S.F. Olive-Méndez; Intermetallics 88 (2017) 14–18.

“Role of the substrate temperature on the growth ofMn5Ge3 thin films by co-deposition of Mn and Ge on Ge(001) substrates by magnetron sputtering”, Adriana Alvídrez-Lechuga, Ricardo López Antón, José Trinidad Holguín-Momaca, Francisco Espinosa-Magaña, Sion Federico Olive-Méndez; Thin Solid Films 616 (2016) 111–115. 

“High-vacuum annealing reduction of Co/CoO nanoparticles”, R López Antón, J A González, J P Andrés, J Canales-Vázquez, J A De Toro and J M Riveiro; Nanotechnology 25 (2014) 105702. 

“Energy barrier enhancement by weakmagnetic interactions in Co/Nb granular films assembled by inert gas condensation”; J. A. De Toro, J. A. González, P. S. Normile, P.Muñiz, J. P. Andrés, R. López Antón, J. Canales-Vázquez, and J. M. Riveiro; Physical Review B 85, 054429 (2012)

“Role of the oxygen partial pressure in the formation of composite Co-CoO nanoparticles by reactive aggregation”, J. A. De Toro, J. P. Andrés, J. A. González, J. M. Riveiro, M. Estrader, A. López–Ortega, I. Tsiaoussis, N. Frangis, J. Nogués, J Nanopart Res (2011) 13: 4583

“Study of GdCo/Si/Co/Si Multilayers by Polarized Neutron Reflectivity”; R. López Antón, A.V. Svalov, J.M. Barandiarán, T.R. Charlton, M. Krzystyniak and G.V. Kurlyandskaya; Journal of Physics: Conference Series 325 (2011) 012018.

“Tracking the evolution of magnetic ordering in Co/Ru multilayers with inhomogeneous interlayer coupling using polarised neutron reflectometry”, J.A. Gonzalez, L.-A. Michez, T.R. Charlton, B.J. Hickey, S. Langridge, C.H. Marrows; Physica B 406 (2011) 2689–2696.

“Origin of the giant magnetic moment in epitaxial Fe3O4 thin films”, J. Orna, P. A. Algarabel, L. Morellón, J. A. Pardo, J. M. de Teresa, R. López Antón, F. Bartolomé, L. M. García, J. Bartolomé, J. C. Cezar, and A. Wildes; Physical Review B 81, 144420 (2010).

“All-Manganite Tunnel Junctions with Interface-Induced Barrier Magnetism”,  Z. Sefrioui , C. Visani , M. J. Calderón , K. March , C. Carrétéro , M. Walls , A. Rivera-Calzada , C. León , R. Lopez Anton , T. R. Charlton , F. A. Cuellar , E. Iborra , F. Ott , D. Imhoff , L. Brey , M. Bibes , * J. Santamaria , and A. Barthélémy; Adv. Mater., 22: 5029–5034 (2010).

“Dynamics of Caged Hydronium Ions and Super- protonic Conduction in (H3O)SbTeO6”, Maciej Krzystyniak, Ricardo Lopez-Anton, Aris Chatzidimitriou-Dreismann, Martin Lerch, and Felix Fernandez-Alonso; Z. Phys. Chem. 224 (2010) 279–287. 

“The oxidation of metal-capped Co cluster films under ambient conditions”, JA De Toro, J P Andrés, J A González, P Muñiz and JM Riveiro; Nanotechnology 20 (2009) 085710. 

“In situ SEOP polarised 3He neutron spin filter for incident beam polarisation and polarisation analysis on neutron scattering instruments”, S. Boag, E. Babcock, K.H. Andersen, M. Becker, T.R. Charlton, W.C. Chend, R.M. Dalgliesh, S.D. Elmore, C.D. Frost, T.R. Gentile, R. Lopez Anton, S.R. Parnell, A.K. Petoukhov, M.W.A. Skoda, T. Soldner; Physica B 404 (2009) 2659–2662.

“Structure and impedance spectroscopy of Pr1−xSrxFe0.8Co0.2O3−δ (x =0.1, 0.2, 0.3) thin films grown by laser ablation”, I. Ruiz de Larramendi, R. López-Antón, J.I. Ruiz de Larramendi, T. Rojo; Appl Phys A (2008) 93: 655–661.

“MFM Domain Imaging of Textured Ni-Mn-Ga/MgO(100) Thin Films”, Volodymyr A. Chernenko, Ricardo Lopez Anton, Jose M. Barandiaran, Iñaki Orue, Stefano Besseghini, Makoto Ohtsuka, and Andrea Gambardella; IEEE Transactions on Magnetism 44(11) (2009) 3040-43.

“Co–CoO nanoparticles prepared by reactive gas-phase aggregation”, J. A. González, J. P. Andrés, J. A. De Toro, P. Muñiz, T. Muñoz, O. Crisan, C. Binns, J. M. Riveiro; Journal of Nanoparticle Research 11(8):2105-2111 (2008)

 “CoO1−δ layers in a reactively sputtered exchange-bias system”, J M Riveiro, P S Normile, J A De Toro, T Muñoz, P Muñiz, J A González and J P Andrés; New Journal of Physics 10 (2008) 083028.

“Artificial ferrimagnetic structure and thermal hysteresis in Gd0.47Co0.53/Co multilayers”, J. P. Andrés, J. A. González, T. P. A. Hase, B. K. Tanner, and J. M. Riveiro; Physical Review B 77, 144407 (2008).