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1. Introducción

Desde tiempos ancestrales, en Asia Menor, ya se conocía la propiedad que un mineral llamado magnetita tenía de atraer al hierro. Durante cientos de años, la historia del magnetismo estuvo ligada a la utilización de la brújula. Las aplicaciones de los fenómenos magnéticos se han visto ampliamente diversificadas: los imanes se utilizan en motores, aparatos de radio y televisión, dispositivos electrónicos, sistemas de sellado y suspensión, memorias magnéticas, guías de haces de partículas en fuentes de luz sincrotrón, etc. [1].

Desde un punto de vista macroscópico, la respuesta de un material al campo magnético H viene cuantificada por una magnitud que se llama imantación, designada por M. Las propiedades magnéticas de un material no sólo están caracte-rizadas por el valor y signo de M, sino también por la manera como M varía con H. Las curvas M vs. H se denominan curvas de imantación o ciclos de histéresis. Según el tipo de material, se pueden obtener diferentes curvas de imantación. Como se puede ver en la figura 1, en los materiales ferro-magnéticos (por ejemplo, los imanes), la dependencia de la imantación con el campo no es lineal sino que presenta fenó-menos de saturación e histéresis. Por saturación, entendemos el hecho de que, para valores suficientemente elevados de H, la imantación M se hace constante y toma el valor de la

imantación de saturación, designada por MS. Histéresis hace

referencia al hecho que, después de la saturación, la disminu-ción de H hacia cero no reduce M a cero, sino a un valor que llamamos imantación de remanencia, M

R. Dependiendo del

signo del campo magnético aplicado, se obtiene un valor de remanencia positivo o negativo (en otras palabras, el material tiene memoria de su historia magnética previa). Esta

Temas de Física

Cuando el desorden genera magnetismoE. Menéndez1, J. Sort2, A. Varea3, A. Concustell3, S. Suriñach3,

J. Montserrat4, E. Lora-Tamayo4, M. D. Baró3 y J. Nogués5

En los últimos años, el desarrollo de nuevos métodos para la fabricación de redes ordenadas de nanoestructuras magnéticas (litografía magnética) se ha convertido en un campo de investigación de gran interés. Esto se debe tanto a la gran variedad de aplicaciones tecnológicas que se derivan de las estructuras magnéticas de tamaño submicrométrico (por ejemplo, en biomedicina, grabación magnéti-ca, etc.), como a razones de carácter más fundamental, ya que a menudo el comportamiento magnético de estos materiales a escala nanométrica es diferente del correspondiente a los materiales macizos. Las aleaciones de Fe60Al40 (porcentaje atómico) poseen una combinación de propiedades estructurales y magnéticas que las convierte en materiales con potencial para ser litografiados magnéticamente. Desde un punto de vista magnético, mientras las aleaciones de Fe60Al40 ordenadas atómicamente son para-magnéticas a temperatura ambiente, las aleaciones de Fe60Al40 desordenadas a nivel atómico presentan un comportamiento ferromagnético. En este artículo, se presentan los resultados obtenidos a lo largo de estos últimos años de las diferentes estrategias seguidas para generar redes ordenadas de entidades ferromagnéticas a escala micro/nanométrica, dentro de una matriz paramagnética, en la superficie de aleaciones de Fe60Al40 con el fin de producir materiales con potencial para ser usados como medios de grabación magnética. Esto se ha logrado aprovechando las transiciones magnéticas que tienen lugar en esta aleación después de someterla a procesos de deformación plástica local (nanoindentación) e irradiación controlada con iones (usando tanto haces de iones focalizados como irradiación con iones de gases nobles a través de máscaras).

–100 –50

M

Ms

MR

HC H(Oe)

50 100

2

1

–1

–2

(emu/cm3)

Fig.1. Curva de imantación típica de un material ferromagnético [2].

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característica es la que permite almacenar la información a nivel magnético. Además, para reducir la imantación a un valor nulo, hay que aplicar un campo magnético distinto de cero, el cual llamamos coercitividad, H

C [2,3].Hay que tener en cuenta que, cuando las dimensiones

de los materiales ferromagnéticos se reducen hasta escalas micro-o nanométricas, sus propiedades pueden variar drás-ticamente respecto a las que se presentan cuando el mate-rial es macroscópico [4]. Si el material es suficientemente grande (escala macroscópica), los momentos magnéticos de cada átomo se alinean paralelamente con los de los átomos vecinos en determinadas regiones del material llamadas dominios magnéticos, formando así un estado multidominio (tal y como se muestra en la figura 2). De todas formas, si las dimensiones se reducen suficientemente (hasta el orden de unos cientos de nanómetros o de unos pocos micrómetros dependiendo del material), los dominios magnéticos tienden a formar estructuras de cierre de flujo que, cuando presentan una geometría circular, se denominan vórtices magnéticos. En este caso, en ausencia de campos magnéticos externos, la magnetización del material es prácticamente nula (el sistema casi no presenta remanencia). Esto hace que en el ciclo de histéresis muestre una constricción en su parte central (ver figura 2). Desde el punto de vista de la grabación magnética, la formación de estructuras de cierre de flujo no es desea-ble debido a la no existencia de remanencia. En elementos aún más pequeños (generalmente del orden de decenas de nanómetros), no existe suficiente volumen de material para formar más de un dominio magnético y el sistema se configura en un estado de dominio único que se denomina monodominio. Este es, de hecho, un estado ideal para el almacenamiento de información magnética: la remanencia toma el mismo valor que la imantación de saturación y el ciclo es completamente cuadrado con una coercitividad rela-tivamente grande, que hace que cueste desimantar el mate-rial (o, lo que es paralelo, borrar la información magnética previamente grabada). Finalmente, si las estructuras magné-

ticas son demasiado pequeñas, la agitación térmica predo-mina y hace fluctuar la orientación del dominio magnético de manera que la histéresis desaparece. Este fenómeno, que se denomina superparamagnetismo, es el principal factor que limita la cantidad de datos que se pueden almacenar por unidad de área en las memorias magnéticas como los discos duros de los ordenadores.

Durante los últimos años ha existido un gran interés por implementar nuevos métodos de fabricación de redes ordenadas de estructuras ferromagnéticas a escala nanomé-trica (dimensiones de las entidades del orden de decenas o cientos de nanómetros), preferiblemente en estado monodo-minio [4]. Entre las posibles aplicaciones de estos pequeños imanes se pueden destacar, por ejemplo, su uso en sistemas de almacenamiento magnético de datos (las memorias mag-néticas), en los sensores magnéticos o en diversas aplicacio-nes biomédicas (por ejemplo, la liberación controlada y local de ciertos fármacos). Asimismo, muchas de las aplicaciones en nanomagnetismo requieren que las estructuras se dispon-gan formando redes ordenadas y que los elementos magnéti-cos estén mutuamente separados por una fase no magnética (entendida como una fase no ferromagnética) para evitar así los posibles efectos negativos debidos a las interacciones entre unidades vecinas (en el ámbito de las memorias mag-néticas, hay que evitar que las mismas unidades de informa-ción perturben o borren la información de otras).

Los medios magnéticos litografiados (patterned media en inglés) están constituidos por pequeños imanes aislados unos de otros y separados por una fase no ferromagnética. Estos sistemas ofrecen en la actualidad un avance significativo respecto a los medios magnéticos continuos convencionales (por ejemplo, en discos duros), ya que permiten una reduc-ción significativa del tamaño de las unidades de información (bits) y minimizan las interacciones entre entidades. Entre los métodos de nanofabricación de elementos magnéticos litografiados, se pueden destacar la litografía por haz de electrones, la litografía por haz de rayos X, la nanoimprin-tación sobre sustratos con resina, la electrodeposición en membranas porosas o las rutas químicas para la fabricación de nanopartículas [4]. En la mayoría de los casos, la técni-ca de micro-o nanoestructuración está compuesta por varias etapas que hacen que el proceso global sea relativamente lento y económicamente costoso. Típicamente, estos medios litografiados se depositan directamente sobre sustratos o bien se obtienen mediante el ataque físico selectivo de capas magnéticas continuas. Sin embargo, estos procesos litográfi-cos convencionales no son óptimos para el almacenamiento de alta densidad ya que el perfil de superficie del material no es plano (existe topografía debido al ataque selectivo o la deposición), pudiendo dar lugar a graves problemas tribo-lógicos (de interacción física entre el medio y el cabezal de lectura), ya que sólo existen unos pocos nanómetros entre los cabezales y la superficie donde se almacena la información. Para evitar este problema, desde finales de los años 90, se han ido buscando nuevos métodos para la generación de elementos magnéticos discretos sin modificar el perfil liso de la superficie del medio. Una posibilidad es la de utilizar la irradiación con haz de iones para generar ferromagnetismo en láminas de FeAl no magnéticas (entendiendo como no

M

M

M

M

H

H

H

Multidominio

Dominios de cierre de flujo

Monodominio

Siperparamagnético

Disminución de tamañoVórtice

H

Fig.2. Configuraciones magnéticas y curvas de imantación corres-pondientes a un estado multidominio, de cierre de flujo magnético, monodominio y superparamagnético [4].

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magnético el comportamiento no ferromagnético; en el caso del FeAl, paramagnético).

Cabe mencionar que, anteriormente, se había utilizado la irradiación con haz de iones para: (i) crear nanoestructuras con anisotropía magnética en el plano de la muestra, dentro de una matriz con anisotropía perpendicular al plano de la superficie [5], (ii) crear nanoestructuras magnéticamente blandas (con HC pequeña), dentro de una matriz magnéti-camente dura (con HC grande) o viceversa [6], o (iii) crear redes de elementos con eje de anisotropía en el plano orien-tado en dirección distinta a la de la matriz [7]. En la mayoría de los casos, la irradiación se ha utilizado para modificar un orden ferromagnético preexistente, de modo que el proble-ma de las interacciones entre los elementos irradiados y la matriz, que también es magnética, permanece.

Nuestra estrategia de utilizar la irradiación para crear redes de elementos ferromagnéticos dentro de una matriz no magnética supone un avance respecto a los estudios que se han realizado hasta el momento. En este artículo, presen-tamos los procedimientos que hemos desarrollado reciente-mente para fabricar nanoestructuras magnéticas en la super-ficie de materiales no magnéticos. Estas rutas se basan en la generación local de ferromagnetismo mediante deformación plástica o irradiación con iones.

2. Nuevos procedimientos de litografiado magnético

En la naturaleza existen determinados materiales que no son ferromagnéticos pero que tienen la capacidad de trans-formarse a ferromagnéticos cuando son sometidos a defor-mación plástica. Ejemplo de esos materiales son los aceros austeníticos, que se transforman en fase martensita (que es ferromagnética) al ser deformados [8], o los intermetálicos, como el FeAl, el CoGa, el CoAl, el Ni3Sn2, el FePt3 o el Fe2AlMn. En los intermetálicos atómicamente ordenados, cada átomo del elemento ferromagnético se encuentra bási-camente rodeado por átomos del elemento no magnético, impidiendo así las interacciones de canje magnético con el resto de elementos ferromagnéticos (configuración no ferro-magnética). Sin embargo, al introducir desorden atómico (entendido parcialmente como una mezcla posicional entre los átomos no magnéticos y los ferromagnéticos), estas alea-ciones se vuelven ferromagnéticas debido a la proximidad entre átomos ferromagnéticos conseguida por el desorden, que da lugar al acoplamiento de canje magnético.

Hemos estudiado en detalle el caso de la aleación Fe1-xAlx. Para 50 > x > 32 (porcentaje atómico) en su estado atómicamen-te ordenado, esta aleación no es ferromagnética a temperatura ambiente. De todos modos, bajo la acción de tensiones, los átomos de Fe se desplazan a las posiciones de los átomos de Al (y viceversa) dando lugar a ferromagnetismo. La correlación entre desorden estructural y magnetismo inducido fue estudiada en detalle hace unos años, en polvo de Fe60Al40 sometido a un proceso de molienda mecánica [9]. Recientemente, haciendo uso de estos conocimientos previos, hemos explorado nuevas rutas para inducir ferromagnetismo, de manera local y selectiva, en láminas de Fe60Al40 inicialmente no magnéticas [10,11]. Las láminas de Fe60Al40 que hemos utilizado fueron obtenidas a par-

tir de procesos de laminación y contienen pequeñas cantidades (< 0.1% atómico) de otros elementos (C, Mo y Zr) que aumen-tan la ductilidad del material. Las muestras fueron inicialmente pulidas con pasta de diamante hasta alcanzar una apariencia especular. Cabe remarcar que el pulido es suficiente para inducir magnetismo en la superficie de las láminas. Por esto es necesario recocerlas una vez pulidas, a una temperatura de unos 900 K, para asegurar la obtención de un estado atómi-camente ordenado y por tanto no ferromagnético.

Nuestro enfoque inicial consistió en usar la nanoin-dentación como proceso para generar desorden de manera controlada y en consecuencia generar magnetismo local-mente. La nanoindentación es una técnica de deformación local que se ha desarrollado en los últimos años para carac-terizar las propiedades mecánicas de materiales micro-y nanoestructurados [12]. La idea es utilizar una punta de diamante (típicamente de geometría piramidal –por ejemplo, las puntas tipo Berkovich– y de dimensiones micrométricas) para penetrar controladamente (indentar) la superficie del material. A medida que la punta va pene-trando en el interior de la muestra, se registra su despla-zamiento en función de la fuerza aplicada. Para producir indentaciones (es decir, huellas permanentes) micrométri-cas, se aplicaron fuerzas del orden de decenas de mN. En la figura 3, se muestra un conjunto de indentaciones de geometría triangular obtenidas por nanoindentación en una lámina de Fe60Al40 [10]. Las imágenes de microscopía de fuerzas atómicas indican que la superficie del material se deforma permanentemente al ser indentada. Las imágenes de microscopía de fuerzas magnéticas muestran que el magnetismo está básicamente confinado en el interior de la zona deformada.

(a)

(b)

1 nm

Fig.3. (a) Imagen de la topografía de las indentaciones (obtenida por microscopía de fuerzas atómicas) realizadas sobre la superficie de una lámina de Fe60Al40 utilizando una punta piramidal tipo Berko-vich y aplicando una fuerza de 12 mN. (b) Imagen del contraste mag-nético correspondiente a las indentaciones mostradas en (a), obtenida mediante un microscopio de fuerzas magnéticas.

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Las propiedades magnéticas de las zonas indentadas fue-ron estudiadas también mediante un magnetómetro de efecto Kerr magneto-óptico. Con este instrumento se detectan los cambios del ángulo de polarización de la luz de un láser (con diámetro de haz de aproximadamente 5 nm) al ser reflejada en la superficie de un material ferromagnético. Este cambio de ángulo de polarización es proporcional al momento mag-nético de los átomos de la muestra. En la figura 4, se mues-tran los ciclos de histéresis obtenidos con este magnetómetro, correspondientes a una región no deformada, a un conjunto de indentaciones obtenidas con la punta Berkovich aplicando fuerzas de 3 y 12 mN respectivamente, y a una lámina com-primida uniformemente con una presión de 6 MPa.

Tal y como se puede observar en la figura 4, la curva de imantación medida en una zona de la muestra no deforma-da es lineal y no presenta histéresis. Esto significa que la muestra no es ferromagnética, tal y como corresponde a las láminas de Fe60Al40 no deformadas (atómicamente ordena-das). Al aplicar una presión homogénea sobre toda la mues-tra, se genera ferromagnetismo (ver figura 4(d)). El valor de la coercitividad en este caso es aproximadamente 4 mT. Valores de coercitividad un poco más elevados (alrededor de unos 10 mT) se obtienen cuando se mide el ciclo de histé-resis de las regiones donde se han hecho las indentaciones. Como el ferromagnetismo en estas regiones está confinado, las paredes de dominio no se pueden propagar libremente con el campo magnético aplicado y en consecuencia la coer-citividad aumenta. Hay que tener en cuenta que en las regio-nes indentadas el valor de la magnetización de remanencia es cercano al de saturación, lo que es deseable para almacenar información magnética.

De todos modos, la utilización de la nanoindentación como técnica de litografía magnética tiene algunas des-ventajas. En primer lugar, es difícil conseguir estructuras más pequeñas de 800 nm. Por otra parte, la nanoindenta-ción siempre deja una huella física sobre la superficie de la muestra, lo que no es apropiado desde un punto de vista tribológico. Aparte de la litografía magnética (es decir la generación de redes de estructuras ferromagnéticas), existe también una litografía física (cambios topográficos) en la superficie del material debido a la deformación permanen-te. Además, el abanico de geometrías magnéticas que se pueden generar está limitado por la geometría de la punta utilizada. Finalmente, hay que decir que la nanoindenta-ción es un proceso en serie, donde cada elemento se fabrica independientemente, lo que hace que el proceso global sea relativamente lento.

Para superar algunas de estas deficiencias y, en particular, la modificación de la superficie del material, hemos utili-zado la irradiación con iones como técnica para generar, de manera selectiva, desorden atómico en láminas de Fe60Al40. La irradiación se ha realizado de dos maneras diferentes: (i) utilizando un haz de iones de Ga+ focalizado (de unos pocos nanómetros de diámetro) con una dosis de 1.5 x 1016 iones/cm2, que corresponde aproximadamente a 50 desplazamientos por átomo (dpa), y (ii) irradiando con un haz continuo ( aproxima-damente 1 cm de diámetro) de iones de He+, Ne+, Ar+, Kr+ y Xe+, con dosis que varían entre 1.0 x 1013 y 1.0 x 1016 iones/cm2 (lo que produce entre 0.5 y 5 dpa) a través de rejillas usadas en microscopía electrónica de transmisión, máscaras de alúmina y polimetilmetacrilato (PMMA) [11,13]. Estas máscaras de irradiación, deben ser suficientemente gruesas para evitar que sean atravesadas por los iones incidentes y generen ferromag-netismo de una forma homogénea a lo largo de toda la super-ficie de la muestra (ver la figura 5). La energía de los iones se ha ajustado en cada caso para que el daño que causan en el material se concentre en los primeros 20 nanómetros de la superficie irradiada. Cabe destacar que los desplazamientos por átomo permiten cuantificar el daño físico causado a nivel atómico.

En la figura 6 se muestra una imagen, obtenida median-te microscopía de fuerzas magnéticas, de unas estructuras

(a) (b)

(c) (d)

–20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20 –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20

–20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20 –20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20

n0H (mT) n0H (mT)

n0H (mT) n0H (mT)

Zona no deformada

Indentaciones F=3 mN

Indentaciones F=12 mN

Lámina compactada

uniformemente

M (a

.u.)

M (a

.u.)

M (a

.u.)

M (a

.u.)

Fig.4. (a) Curva de imantación correspondiente a una zona de la lá-mina de Fe60Al40 no deformada obtenida mediante magnetometría de efecto Kerr. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las indentacio-nes sobre la superficie del Fe60Al40 utilizando una punta piramidal tipo Berkovich y aplicando una fuerza de 3 mN. (c) Ciclo de histére-sis correspondiente a las indentaciones sobre la superficie de Fe60Al40 utilizando una punta piramidal tipo Berkovich y aplicando una fuerza de 12 mN. (d) Ciclo de histéresis correspondiente a una lámina de Fe60Al40 uniformemente comprimida con una presión de 6 MPa.

Material

Máscara

Iones(a) (b)

Iones

Máscara

Material

Zona ferromagnética

Fig.5. Representación esquemática del proceso de irradiación a tra-vés de una máscara suficientemente gruesa, que no permite el paso de los iones y, por tanto, permite una irradiación local, (a) y otra que debido a su poco grosor causa que toda la superficie se vuelva ferro-magnética ya que los iones la penetran (b).

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circulares preparadas por irradiación con un haz de iones focalizado. Es importante subrayar que las estructuras mag-néticas generadas mediante este proceso tienen dimensiones inferiores a 100 nm [11]. También se presenta el ciclo de histéresis correspondiente. En este caso, el ciclo es comple-tamente cuadrado y la coercitividad es mucho más elevada que en las estructuras preparadas por nanoindentación. Esto es debido a que, al ser las dimensiones tan pequeñas (diá-metros por debajo de 100 nm), la inversión de la imantación tiene lugar por formación de estados monodominio que, tal y como se ha mencionado en la introducción, son óptimos para la grabación magnética de alta densidad. Además, este proceso de litografía no deja huellas permanentes en la superficie de las estructuras, lo que permite minimizar los posibles problemas de interacción entre el cabezal de lectura y el medio magnético.

Pese a que la irradiación con haz de iones focaliza-do permite conseguir tamaños de bit muy pequeños sin producir un ataque físico de la superficie de la muestra, este proceso sigue siendo muy lento para aplicaciones escalables a nivel industrial, pues se requiere fabricar las estructuras de una en una (proceso en serie). Para superar este inconveniente, se hizo también litografía magnética

utilizando un haz de iones no focalizado a través de dife-rentes máscaras de irradiación, de manera que se pudieran obtener áreas grandes de estructuras magnéticas de manera rápida (proceso en paralelo). Previamente, se llevó a cabo un estudio preliminar sobre la cantidad de ferromagnetis-mo que se genera en función del tipo de ion y la dosis que se utilizó. A modo de ejemplo, en la figura 7, se muestran diferentes ciclos de histéresis, medidos por magnetometría de efecto Kerr, correspondientes a la irradiación de las láminas de Fe60Al40 sin introducir las máscaras. En este caso, toda la muestra fue irradiada con iones de Xe+ a 45 keV. Tal y como se puede observar, una dosis de 1.0 x 1013 iones/cm2 es suficiente para generar una señal ferromagnética claramente medible. Conviene notar que la cantidad de ferromagnetismo tiende a saturarse para dosis superiores a 1.0 x 1014 iones/cm2. Gráficas similares se obtienen si se emplean otros iones pesados, como Ne+, Ar+ o Kr+. En el caso del He+, que es un ión muy ligero, hay que utilizar dosis aún más elevadas [14].

Para fabricar grandes áreas (del orden de milímetros) de estructuras magnéticas pseudo-ordenadas y de manera rápida, se usó un haz de iones de Xe+ (energía de 45 kV y dosis 2.0 x 1014 iones/cm2) para irradiar una lámina de Fe60Al40, a través de una rejilla de uso común en micros-copía electrónica (con agujeros de 7.5 x 7.5 nm2). En la figura 8(a), que es una imagen de una zona irradiada a través de la rejilla obtenida mediante microscopía de fuer-zas atómicas, se puede observar como no existe, a nivel topográfico, ninguna huella de la irradiación localizada. Por el contrario y a pesar de la no existencia de litografía física, se puede ver, en las imágenes de microscopía de fuerzas magnéticas tomadas con campo magnético aplica-do de la figura 8, como existe un contraste dipolar en las

(a) (b)

–150 –100 –50 0 50 100 150

100 mT

200 nmn0H (mT)

M (a

.u.)

Fig.6. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéticas de un conjunto de estructuras circulares preparadas mediante irradiación con un haz de iones de Ga+ focalizado; la imagen fue registrada bajo la aplicación de un campo magnético de 100 mT, después de haber saturado la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las mis-mas estructuras [11].

n0H (mT)–30 –20 –10 0 10 20 30

50

40

30

20

10

0

–10

–20

–30

–40

–50

1 x 1015 iones/cm2 (5 dpa)

1 x 1014 iones/cm2 (0.5 dpa)1 x 1013 iones/cm2 (0.05 dpa)No irradiada

Rot

ació

n K

err (

mde

g)

Fig.7. Dependencia del ferromagnetismo generado en función de la dosis de iones utilizada correspondiente a iones de Xe+ a 45 keV de energía [14].

(a) (b)

(c) (d)

Fig.8. (a) Imagen de microscopía de fuerzas atómicas y (b)-(d) imágenes de microscopía de fuerzas magnéticas de una lámina de Fe60Al40 después de ser irradiada con iones de Xe+ (40 keV, 2.0 x 1014 iones/cm2). En relación a las imágenes magnéticas, los siguien-tes campos magnéticos han sido aplicados durante la adquisición de las imágenes: (b) 0 mT, (c) –40 mT, (d) 40 mT. Las flechas indican la dirección del campo magnético aplicado [14].

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fronteras de los imanes generados, demostrando que las entidades magnéticas están embebidas en una matriz no ferromagnética.

Con el objetivo de crear estructuras más pequeñas, se hicieron pasar iones pesados de Xe+ a 45 keV a través de máscaras de alúmina porosa (50 nm de espesor, con un diámetro medio de poro de aproximadamente 300 nanó-metros). El resultado se muestra en la figura 9. La imagen de microscopía de fuerzas magnéticas correspondiente a estas estructuras evidencia la existencia de un contraste dipolar cuando se aplica un campo magnético suficiente-mente elevado. Esto quiere decir que, en presencia de este campo, los momentos magnéticos de todas las estructuras se alinean con éste. El ciclo de histéresis de estos elemen-tos presenta una constricción en la parte central, típica de la formación de un estado vórtice (ver la introducción). Por lo tanto, al ser la remanencia prácticamente nula, no es posible almacenar información magnética en estas estructuras. Por ello se tendría que utilizar membranas de alúmina con tamaño medio de poro más pequeño para

que la inversión de imantación tuviera lugar por rotación coherente de estados monodominio.

Una alternativa más laboriosa, es la de recubrir las lámi-nas de FeAl con PMMA y realizar una litografía por haz de electrones de esta capa de resina [4,13]. Así se puede controlar tanto la geometría como el tamaño de las estruc-turas resultantes y sus propiedades magnéticas. La figura 10 muestra algunos ejemplos de estructuras magnéticas fabri-cadas por irradiación con haz de iones de Xe+ (a 45 keV) realizadas utilizando una máscara de PMMA de 90 nanó-metros de espesor, previamente litografiada con un haz de electrones. Tal y como se puede ver en las imágenes, esta técnica permite fabricar elementos con formas variadas, por ejemplo círculos, cuadrados o elipses. Como en los casos anteriores, la litografía es puramente magnética y confinada a las regiones donde los iones han interaccionado con el material. Aunque se puedan obtener varias entidades ferromagnéticas con una única irradiación, este método en última instancia no deja der ser un proceso en serie ya que el diseño de la máscara se realiza estructura por estructura.

El ferromagnetismo generado puede ser completamente borrado mediante un recocido posterior (a T > 800 K [9,11]), permitiendo reutilizar las láminas tantas veces como se quiera. De esta manera se pueden fabricar estructuras con otras geome-trías y propiedades magnéticas diferentes utilizando una única lámina. Este grado de reversibilidad supera al de los medios magnéticos litografiados convencionales, que se pueden litogra-fiar una sola vez y las propiedades magnéticas quedan, por ello, unívocamente determinadas de manera permanente.

(a)

(b)

–20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20

n0H (mT)

50 mT

300 nm

M (a

.u.)

Fig.9. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéti-cas de un conjunto de estructuras circulares preparadas mediante irradiación con un haz de iones de Xe+ no focalizado a través de una membrana porosa de alúmina, la imagen fue registrada bajo la aplicación de un campo magnético de 50 mT, suficiente para saturar la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a las mismas estructuras.

n0H (mT)

M (a

.u.)

–10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10

(b)

(d)

(a)

(c)

30 mT

400 nm 200 nm

–30 mT

–40 mT

1 nm

Fig.10. (a) Imagen obtenida por microscopía de fuerzas magnéti-cas de un conjunto de estructuras cuadradas preparadas mediante irradiación con un haz de iones de Xe+ no focalizado a través de una máscara litografiada de PMMA; la imagen fue grabada bajo la aplicación de un campo magnético de 30 mT, suficiente para saturar la muestra. (b) Ciclo de histéresis correspondiente a estas estructuras cuadradas. (c) y (d) Imágenes obtenidas por microscopía de fuerzas magnéticas de un conjunto de estructuras elipsoidales y circulares, respectivamente, preparadas de la misma manera [11].

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3. Conclusiones

En este artículo hemos presentado nuestros estudios recientes sobre métodos de litografía magnética no conven-cional para generar estructuras de dimensiones sub- micro-métricas (en algunos casos sub-100 nanómetros), con algu-nas propiedades idóneas para el almacenamiento de datos de alta densidad y, en algunos casos, sin que se produzca una marca física en la superficie del material. Con ello se mini-mizan algunos de los problemas de tribología que presentan los medios magnéticos litografiados convencionales.

Además, hemos mostrado que los métodos de litografía convencionales también se pueden utilizar para desarrollar medios magnéticos, a partir de procesos de irradiación a tra-vés de máscaras con propiedades específicas y controladas, que abren las puertas a nuevos esquemas para implementar memorias magnéticas más eficaces.

Agradecimientos

Agradecemos a S.C. Deevi y K. V. Rao por proporcionar-nos las láminas de Fe60Al40 y a J. Fassbender, M.O. Liedke, A. Weber, L.J. Heyderman, T. Gemming, T. Strache y W. Möller por su ayuda en distintos aspectos experimentales. Asimismo, los autores agradecen el apoyo económico obtenido en los siguientes proyectos de investigación: 2009-SGR-1292 PNL2006-019, MAT-2007-61.629, MAT-2007-66302-C01, MAT- 2007-66302-C02 y MAT-2010-20616-C02. Este tra-bajo ha sido parcialmente financiado por la Unión Europea (Research Infrastructures Transnational Access program; Center for Application of Ion Beams in Materials Research under Contract No. 025646). E.M. agradece el Fund for Scientific Research - Flanders (FWO) por el apoyo econó-mico. Parte de este trabajo fue realizado en la ICTS “Sala Blanca integrada de micro y nano-fabricación” del IMB-CNM (CSIC), financiada por el programa GICSERV-5 (pro-yecto NGG-106) del MICINN. M.D.B. agradece la financia-ción obtenida mediante una distinción ICREA-Academia.

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E. Menéndez, Instituut voor Kern- en Stralingsfysica and INPAC, Katholieke

Universiteit Leuven, Celestijnenlaan 200 D, B-3001 Leuven, Belgium. Enric.MenendezDalmau@fys.kuleuven.be

J. Sort, Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) and

Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona, 08193 Bellaterra, Spain

A. Varea, A. Concustell, S. Suriñach, M.D. Baró Departament de Física, Universitat Autònoma de Barcelona,

08193 Bellaterra, Spain J. Montserrat, E., Lora-Tamayo,

Institut de Microelectrònica de Barcelona (IMB-CNM), CSIC, Campus Universitat Autònoma Barcelona, E-08193, Bellaterra, Spain

J. Nogués Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) and

CIN2 (ICN-CSIC), Universitat Autònoma de Barcelona, Catalan Institute of Nanotechnology, Campus de la UAB, 08193 Bellaterra

(Barcelona), Spain