Materiais e técnicas para nanoestruturas magnetoelétricas compósitas
Resumo
Nanoestruturas híbridas, integrando duas ou mais propriedades físicas de grande interesse tecnológico, são
fundamentais para o desenvolvimento de novas gerações de dispositivos eletrônicos. Uma classe interessante de
materiais multifuncionais são os multiferróicos, que exibem pelo menos duas ordens ferróicas acopladas. Dentre
eles, os que apresentam acoplamento entre ferromagnetismo e ferroeletricidade despertam interesse especial.
Apesar de serem raros de ocorrer naturalmente, a possibilidade de gerar efeito magnetoelétrico em estruturas
compósitas, intermediado pela deformação elástica entre camadas magnetostrictivas e piezoelétricas, abre caminho
para que seja possível controlar propriedades elétricas aplicando-se campo magnético, ou propriedades magnéticas
aplicando-se campo elétrico. Todavia, a maior parte das pesquisas atuais ainda envolve compostos monofásicos
ou compósitos em forma massiva. Tendo em vista a incorporação de nanoestruturas magnetoelétricas em
dispositivos, é fundamental ampliar a abrangência do efeito magnetoelétrico e direcioná-lo para diferentes tipos
de aplicações. Para isto, além de novas técnicas de caracterização, é necessário buscar-se materiais alternativos
aos tradicionais piezoelétricos baseados em chumbo e magnetostrictivos baseados em óxidos. Recentemente
tem-se encontrado trabalhos pontuais onde são utilizados piezoelétricos semicondutores como ZnO e AlN, e
ligas magnéticas amorfas como as baseadas em Co, Fe e Ni. Mesmo sem apresentar efeitos piezoelétrico e
magnetostrictivo com magnitudes notáveis, as características destes materiais são promissoras para aplicações
envolvendo altas frequências, por exemplo. Neste necessário, são apresentados quatro estudos independentes entre
si. Primeiramente, é realizada uma revisão sobre a origem do acoplamento, os últimos avanços e o panorama atual
das pesquisas na área. Em seguida, através de uma técnica direta baseada no método do cantiléver-capacitância,
aborda-se o problema das medidas de magnetostricção em amostras na forma de filmes finos. Os objetivos
são estudar as propriedades magnetoelásticas em alguns materiais que não são frequentemente abordados pela
literatura, e avaliar a potencialidade da técnica para a análise de filmes finos. Para isto, são realizadas medidas
principalmente em ligas ferromagnéticas amorfas baseadas em Co, Fe e Ni. Para a maioria das amostras analisadas,
a resposta magnetoelástica é maior quando o campo magnético é aplicado na direção do eixo de fácil magnetização,
de forma contrária à esperada teoricamente. São apresentadas duas investigações envolvendo filmes finos de
nitreto de alumínio. Primeiro é estudado o crescimento de filmes de AlN sobre vários substratos e camadas
semente. Filmes crescidos sobre vidro e poliimida apresentam excelentes propriedades estruturais para aplicações
em sistemas eletromecânicos e eletrônica flexível. Amostras obtidas com baixos valores de tensão residual, sobre
substratos de silício, são interessantes para incorporação em tecnologias existentes. Segundo, são investigadas
bicamadas de AlN com filmes ferromagnéticos. Além das propriedades estruturais e morfológicas dos filmes de
AlN, a análise das características magnéticas das estruturas contribui para o design de multicamadas que exploram
o efeito magnetoelétrico. Finalmente, são abordados problemas em medidas de microscopias de varredura por
sonda envolvendo campos elétricos. Imagens da superfície de filmes piezoelétricos de AlN foram coletadas
sistematicamente. Entre outras observações importantes, demonstra-se que é possível adquirir imagens confiáveis
de piezo-resposta em regiões fortemente polarizadas, e visualizar a formação de domínios ferroelásticos. Também
é proposta uma nova técnica de microscopia, para investigar as propriedades ferro e piezoelétricas de uma amostra,
explorando o efeito piezoelétrico direto. Utilizando excitação acústica e detecção elétrica, o potencial da nova
técnica é demonstrado com imagens de superfícies cristalinas de quartzo e AlN.