Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Hybrid nanostructures which integrate two or more technologically interesting physical properties are
fundamental for developing new generations of electronic devices. Exhibiting at least two coupled ferroic orders,
multiferroics are an outstanding class of multifunctional materials. Compounds which present coupling between
ferromagnetism and ferroelectricity are specially interesting. Although natural multiferroics are rarely found,
the possibility of obtaining strain-mediated magnetoelectric coupling in composite structures, by integrating
magnetostrictive and piezoelectric layers, paves the way to control electric properties by applying magnetic
field or to the electric control of magnetism. Nevertheless, most scientific efforts have been on monophasic
compounds or bulk composites. Considering the incorporation of magnetoelectric nanostructures in devices,
expanding the scope of the magnetoelectric effect and targetting it to different kinds of applications is needed.
Besides new characterization techniques, seeking new alternative materials to the lead-based piezoelectrics or
oxide-based magnetostrictives is necessary. Recently, a few works using semiconductors such as ZnO and AlN,
or amorphous magnetic alloys such as those based on Co, Fe and Ni, have been reported. In spite of not
presenting remarkable piezoelectric and magnetostrictive effects, the features of such materials are promising for
high frequency applications, for instance. Considering these issues, four independent surveys are presented. Firstly,
the origin of the coupling, latest advances and current scenario of the field are reviewed. Then magnetostriction
measurements in thin films are addressed by employing a direct technique based on the cantilever-capacitance
method. The goals are to study magnetoelastic properties of some materials whose magnetostriction are not found
very often in literature, and to check the reliability of this technique for investigating thin films. In this sense,
measurements of some amorphous magnetic alloys mainly based on Co, Fe and Ni are performed. Most samples
presents larger magnetoelastic response for magnetic field applied along the magnetization easy axis, as opposed
to the theoretically expected. Two investigations on aluminum nitride thin films are reported. Firstly, the growth
of AlN films onto several different substrates and buffer layers is studied. Films grown onto glass and polyimide
show excellent structural properties for eletromechanical systems and flexible electronics applications. Samples
with low residual stress on silicon substrates, suitable for incorporating in existing technologies, are obtained.
Secondly, bilayers composed by AlN and ferromagnetic films are investigated. In addition to the structural and
morphological properties of the AlN films which are checked, the magnetic characterization of the structures also
contributes to design multilayers for exploring the magnetoelectric effect. Finally, problems involving electric
fields in scanning probe microscopies are adressed. Surface images of AlN piezoelectric films are systematically
acquired. Among other major observations, the possibility of getting reliable piezoresponse images of strongly
polarized areas as well as of visualizing ferroelastic domains, is demonstrated. Furthermore, a new microscopy for
investigating a sample s ferro and piezoelectric properties is proposed, exploring the direct piezoelectric effect. By
utilizing acoustic excitation and electrical detection, the potency of this technique is illustrated with measurements
on quartz and AlN surfaces. / 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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3928 |
| Date | 19 December 2014 |
| Creators | Mori, Thiago José de Almeida |
| Contributors | Dorneles, Lucio Strazzabosco, Bohn, Felipe, Gündel, André, Silva, Ricardo Barreto da, Silva, Leandro Barros da |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 300, 500, 300, 300, 300, 300, e5de4f50-b352-48fb-a699-ffab7b7d8f1d, c0458b58-5908-4ffa-994a-9954e3c189fe, 3e7d550d-6f55-4aef-90a6-50175c89c191, 7650d640-2680-47ba-851e-aba0c3345772, 33c5301f-7a7e-4be2-803e-be84e00cb180, 09a45e23-0885-49f3-bb7c-2e9ba3b4e701 |
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