PROPOSTA DE PROJETO DE PESQUISA
Pesquisadores Responsáveis

Coordenador:
Nome : Alex Boiarski Cezar
CPF : 021424319-25
Siape : 1862679
Endereço :
Rua Camões, nº 2034, aptº44 – Hugo Lange – Curitiba
Paraná – Brasil. CEP: 80040-180
Telefone : Res (41) 3027 2367 / Cel: (41) 9141-3235
Endereço eletrônico : [email protected]
Regime de trabalho : Dedicação Exclusiva
Titulação : Doutor pelo Programa de Pós-Graduação em Física da
Universidade Federal do Paraná

Colaboradora:
Nome : Beatriz Bronislava Lipinski
CPF : 860.197.409-00
Siape : 1347366
Endereço :
Rua Antonio Skakui, 45 – Afonso Pena – São José dos Pinhais
Paraná – Brasil. CEP: 83040-430
Telefone : Res: (41) 3081 0006 / Cel: (41) 9251 1775
Endereço eletrônico: [email protected]
Regime de trabalho : Dedicação Exclusiva
Titulação : Doutora pelo Programa de Pós-Graduação em Engenharia e
Ciências dos Materiais da Universidade Federal do Paraná
Campus:
Paranaguá
1
Título do Projeto:
Crescimento de nanoestruturas aplicadas à spintrônica e supercondutividade
através da técnica de ablação laser
Resumo:
Este projeto de pesquisa tem como objetivo projetar e montar um
sistema de evaporação de filmes finos utilizando um laser como fonte de
energia de evaporação. Esta técnica é conhecida como: Deposição com Laser
Pulsado (Pulsed Laser Deposition, PLD). Especificamente nesta proposta
propomos realizar a preparação e estudo em filmes finos de óxidos magnéticos
da classe das manganitas (La1-xSrxMnO3 – LSMO e La1-xCaxMnO3 - LCMO)
além dos óxidos magnéticos semicondutores ZnO, TiO 2 e CeO2 dopados com
Fe, Ni e Co. A caracterização dos filmes será realizada através de técnicas
como difração de raios-X, microscopia eletrônica de varredura e transmissão,
espectroscopia de raios-X, SQUID, espectroscopia de absorção (localizado no
LNLS em Campinas-SP) entre outras. Além disso, este projeto tem como
objetivo inserir-se no Termo de Cooperação celebrado entre o Instituto Federal
do Paraná e a Universidade Federal do Paraná que está integrada ao Grupo de
Supercondutividade da UNESP, ao grupo da UFSCar que estuda óxidos
avançados, além de uma colaboração científica com a equipe francesa da
Unité Mixte de Physique (Université Paris Sud – Thales). Desde modo, o IFPR
estará colaborando com grandes grupos de pesquisa do Brasil e do exterior.
Este projeto de pesquisa também amplia as possibilidades de inserção dos
alunos do curso de Licenciatura em Física do IFPR- Campus Paranaguá- no
mundo da pesquisa através da Iniciação Científica. Isto se deve ao fato destes
alunos assistirem aulas com professores de Física que colaboram com grandes
grupos de pesquisa, com professores que contribuem para a produção
científica através de artigos e com professores que participam de congressos
Nacionais e Internacionais, ou seja, professores atualizados e comprometidos
com que há de mais atual no mundo científico. Além disso, futuros convênios
IFPR com o CNPq serão possíveis trazendo investimento ao Campus. Uma vez
que com o aumento da produção cientifica dos professores cadastrados há
2
possibilidades de adquirir bolsas de Pesquisa, Iniciação Cientifica e verbas
para projetos.
Introdução e Justificativa/ Relevância:
Este projeto se insere notavelmente no Termo de Cooperação celebrado
entre o Instituto Federal do Paraná e a Universidade Federal do Paraná, em 03
de novembro de 2010. O termo de cooperação torna institucional a cooperação
mútua entre as duas instituições na realização de projetos de ensino, pesquisa
e extensão de interesse mútuo, por intermédio da ampla mobilidade para os
servidores das duas instituições.
O presente projeto de pesquisa propõe a implantação na Universidade
Federal do Paraná (UFPR) de uma técnica muito versátil e amplamente
utilizada internacionalmente para a preparação de filmes e nanoestruturas.
Trata-se da deposição por laser pulsado ou ablação laser. Será utilizado ao
longo deste texto o acrônimo inglês empregado para designar a técnica Pulsed
Laser Deposition (PLD).
Muito embora seja amplamente utilizada em países do Primeiro Mundo
que desenvolvem nanotecnologia em materiais, esta técnica é pouco utilizada
no Brasil. Uma busca no Web of Science utilizando pulsed laser deposition em
“topic” e Brazil em “address” fornece apenas 82 artigos. Substituindo o Brasil
pela
França,
Alemanha,
Japão
e
Estados
Unidos
encontra-se
aproximadamente 1120, 1368, 2606 e 3604 artigos respectivamente. Tais
países são reconhecidamente grandes investidores em nanociência e
nanotecnologia. Dentre os 82 artigos, e isto inclui aqueles entre os quais o
proponente é colaborador, a grande maioria utiliza instituições estrangeiras
para o desenvolvimento de nanoestruturas para estudos básicos e aplicados
em ciências dos materiais.
A maior motivação desta proposta consiste em viabilizar o
desenvolvimento no Brasil de tecnologias concorrentes no âmbito internacional,
através do investimento em equipamentos compatíveis com a nanotecnologia,
tal como é a técnica de ablação laser ou PLD.
Nesta proposta são abordados três temas de pesquisa científica em
parceria com três produtivos grupos de pesquisa com os quais o proponente
3
mantém colaboração para estudos de óxidos avançados nas áreas de
spintrônica e supercondutividade. Salienta-se que ambas as áreas possuem
grande apelo tecnológico e, portanto, financeiro. Além de grande concorrência
internacional, estas áreas são merecedoras de fortes incentivos pelos países
que desenvolvem estes ramos da nanotecnologia em materiais. Cabe
finalmente lembrar que a área de nanociências e nanotecnologias é
considerada estratégica dentro do plano de ações pelo Ministério da Ciência e
Tecnologia.
Como será detalhado adiante, solicitamos nesta proposta um mínimo de
recursos financeiros necessários para a implementação da técnica PLD na
UFPR. Desta forma, o apoio do CNPq será um investimento com excelente
razão custo/benefício, abrindo a possibilidade de produção técnica e científica
de alta qualidade com pequeno investimento financeiro. Neste cenário, a
proposta é baseada em dois objetivos principais citados abaixo e detalhados
posteriormente:
Técnico: Implantação da técnica de PLD nas dependências da UFPR
para o crescimento de nanoestruturas multifuncionais avançadas, promovendo
um salto de qualidade na infra-estrutura de pesquisa de uma universidade
pública.
Científico&Tecnológico: Desenvolvimento de nanoestruturas híbridas
metal/óxidos
com
funcionalidades
baseadas
em
propriedades
ora
ferromagnéticas, ora ferroelétricas (multiferróicas) aplicadas à spintrônica e à
supercondutividade. Gerar e aperfeiçoar conhecimento científico e tecnológico,
bem como formação de recursos humanos de alta qualificação no âmbito de
programas de cursos de graduação e de pós-graduação. Promover a produção
científica de relevância e de impacto no meio científico nacional e internacional.
A inserção do projeto na área de nanotecnologia é comprovada por si só,
tendo em vista que os materiais propostos para estudos serão crescidos por
PLD, que é uma técnica específica para a deposição de estruturas complexas
com ao menos uma das dimensões sendo nanométrica. Normalmente
materiais com estruturas complexas, como as perovskitas, requerem alta
qualidade cristalina associada a alto controle de estequiometria, para que
sejam controláveis a ponto de poderem ser usadas em aplicações. Em geral,
4
isto não pode ser obtido por outras técnicas de crescimento de nanoestruturas.
O presente projeto também se insere em um quadro de colaboração (ver
adiante) bem estabelecido entre instituições nacionais de pesquisa com
atividade de formação de recursos humanos de alta qualificação. Desta forma,
tais vínculos científicos serão intensificados, contribuindo também para a
melhoria de infraestrutura de pesquisa em área estratégica de nanotecnologia
nas instituições envolvidas. Se a proposta for aprovada, a equipe proponente
também se prontifica a iniciar novas colaborações com outras instituições que
tenham interesse pela técnica de PLD.
Objetivos específicos e impactos previstos:
Científicos
 Desenvolvimento de novas tecnologias a curto e médio prazos.
 Ampliação de infraestrutura de pesquisa para cooperações nacionais e
internacionais.
 Formação de recursos humanos de alta qualificação.
 Consolidação de equipe de especialistas em área de interesse
estratégico.
 Disponibilização de novas técnicas para a comunidade científica.
 Aumento qualitativo e quantitativo da produção científica.
 Consolidação de grupos de pesquisa e de programas de pós-graduação.
 Fortalecimentos de linhas de pesquisa já existentes.
 Criação de novas linhas de pesquisa com consequente inovação.
 Melhoria significativa na qualidade de formação de estudantes e
técnicos.
Tecnológicos
 Melhoria da interação da universidade com o setor produtivo.
 Aumento da oferta de serviços especializados.
 Disponibilização de mão de obra em nanociência e nanotecnologia.
 Atendimento à demanda da indústria.
 Aumento da taxa de transferência de tecnologia para o setor produtivo.
5
 Redução da dependência tecnológica do exterior.
Econômicos
 Redução da dependência tecnológica do exterior.
 Avanços nos processos de produção de filmes, revestimentos,
nanopartículas e dispositivos.
 Aumento do número de teses no país sem a utilização de infra-estrutura
estrangeira.
 Fomentar a introdução de produtos nanotecnológicos em âmbito
nacional.
Sociais
 Redução da dependência externa.
 Formação de recursos humanos altamente qualificados no país.
Revisão Bibliográfica:
1. Óxidos magnéticos avançados
Após menos de 20 anos da descoberta do efeito magnetorresistivo em
multicamadas magnéticas, a spintrônica1 evoluiu de uma curiosidade científica
para uma multibilionária tecnologia do início do século XXI.
Os produtos tecnológicos spintrônicos hoje no mercado (sensores
magnéticos, cabeçotes de leitura magnetorresistivos e MRAMs, dominados
pelas marcas IBM, Motorola, Siemens, NVC e Seagate, baseiam-se na
manipulação de correntes polarizadas em spin em junções planares
consistindo de dois eletrodos ferromagnéticos (FM) de metais de transição
ferromagnéticos (Fe, Ni e Co) e suas ligas (FeCo e NiFe) separados por uma
camada de espessura nanométrica separadora (S) de metal normal (como
cobre) ou de isolante (como a alumina): FM1/S/FM2. Em dispositivos GMR
(sigla em inglês para Giant Magnetoresistance) ou TMR (sigla em inglês para
Tunneling Magnetoresistance) um eletrodo FM é usado para a detecção de
correntes eletrônicas polarizadas de spin injetadas pelo outro eletrodo FM e
transmitidas através da camada S por condução (banda de condução) ou por
6
tunelamento (gap de energia) com eficiência de preservação do estado de spin
eletrônico entre 20% e 40% 2.
Dentro das expectativas atuais da importância futura da spintrônica para
indústria eletrônica é possível encontrar quatro direcionamentos de pesquisa e
desenvolvimento:
i. Investigação de materiais para aplicações na indústria de gravação
magnética de ultra alta densidade para operação na faixa de
frequência de THz (cabeçotes magnetorresistivos e MRAMs) usando
heteroestruturas epitaxiais baseadas em perovskitas magnéticas ou
manganitas. Por exemplo, La1-xSrxMnO3 (LSMO) espaçadas por uma
camada barreira isolante como o SrTiO 3 (STO) em junções túnel
planares LMSO/STO/LSMO3. Apesar da baixa eficiência na obtenção
de correntes polarizadas em spin em temperatura ambiente, a classe
das manganitas mantém-se intensamente investigada devido à
manifestação de caráter semimetálico (half-metal).
ii. Investigação da transferência de spin em junções FM/S/FM em
geometria de pilares sub micrométricos para obtenção de reversão da
magnetização induzida por correntes polarizadas em spin mediante a
acumulação de spin sem a aplicação de campos magnéticos 4.
iii. Investigação de uma nanoeletrônica baseada na manipulação de
correntes polarizadas em spin em sistemas magnéticos granulares
consistindo de nanopartículas magnéticas termicamente estabilizadas
em (ou sobre) matrizes isolantes ou semicondutoras combinando o
bloqueio de Coulomb e de spin5.
iv. Investigação de uma spintrônica em semicondutores (SC) 6 baseadas
em semicondutores magnéticos diluídos (DMS, na sigla em inglês para
Dilute Magnetic Semiconductor) 7 e óxidos magnéticos diluídos (DMO,
na sigla em inglês para Dilute Magnetic Oxide) 8.
Particularmente,
óxidos
magnéticos
semicondutores
(óxidos
semicondutores dopados com elementos químicos de metais de transição) são
candidatos promissores para a obtenção de semicondutores ferromagnéticos
com alta temperatura de Curie capazes de viabilizar a spintrônica com
7
semicondutores em temperatura ambiente. Eles permitem sua aplicação
imediata em dispositivos já concebidos, como os transistores de efeito campo
(spin FET), os filtros de spin (spin filters) e os diodos emissores de luz
polarizada (spin LED), baseados em correntes polarizadas em spin . É ainda
um passo importante em direção à viabilização de bits quânticos de spin (spin
qubit)9 e unidades de processamento para computação quântica combinando a
funcionalização memória lógica com as propriedades spin-carga do elétron10.
O PLD é a técnica de deposição mais bem sucedida na fabricação de
nanoestruturas DMO e DMS a base de óxidos magnéticos semicondutores
(particularmente, o TiO2 dopado com Co e o ZnO dopado com Fe e Co),
perovskitas e manganitas magnéticas, sendo ainda bastante apropriada para a
fabricação de heteroestruturas DMO/FM, DMS/FM a base desses óxidos
magnéticos de alto impacto científico-tecnológico.
Desde 2005 óxidos avançados são tema de pesquisa das equipes de
spintrônica da UFPR e UFSCar dentro de uma extensão da colaboração
científica com a equipe francesa da Unité Mixte de Physique (Université Paris
Sud – Thales) dirigida pelo Dr. Albert Fert, um dos ganhadores do Prêmio
Nobel de Física de 2007, e o grupo do Dr. Victor Etgens do Institut de
NanoSciences de Paris da Université Pierre et Marie Curie. A atuação científica
conjunta destas equipes vem tendo o apoio da CAPES através de projetos
bilaterais CAPES-COFECUB (Proc. No. 356/01 quadriênio 2001-2004 e Proc.
No. 560/07 quadriênio 2007-2010).
Especificamente nesta proposta propomos realizar a preparação e
estudo em filmes finos de óxidos magnéticos da classe das manganitas
(La1-xSrxMnO3 – LSMO e La1-xCaxMnO3 - LCMO) além dos óxidos magnéticos
semicondutores ZnO, TiO2 e CeO2 dopados com Fe, Ni e Co. A magnetização,
os efeitos magneto-óticos e as propriedades de magneto-transporte (tais como,
o efeito Hall e a magnetorresistência) são algumas propriedades físicas a
serem caracterizadas para avaliar a resposta ferromagnética desses materiais.
Eventualmente,
heteroestruturas e
protótipos dispositivos poderão
ser
elaborados usando a competência e a excelente infraestrutura disponibilizada
pela equipe proponente. Cabe mencionar que o sistema PLD a ser construído
possibilitará ainda a fabricação de heterojunções nanoestruturadas, tais como:
8
DMS/SC, DMO/SC, DMS/FM e DMO/FM.
O Grupo de Supercondutividade da UNESP pretende também utilizar os
filmes finos de manganitas óxidas preparados por PLD e realizar de maneira
sistemática os seguintes estudos:
i. Para estudar o efeito da inserção de defeitos e respectivas flutuações
na razão Mn+3/Mn+4. Partindo de filmes de La1-xMnO3, variar o valor
de x e estudar alterações na temperatura da anomalia presente em
baixas
temperaturas
e
na
temperatura
de
Curie.
Realizar
experimentos de χAC vs. temperatura em diferentes frequências para
estabelecer o limite de validade da interpretação dos wall pinning
effects apresentado pelos autores. Após isto, introduzir defeitos via
dopantes e estabelecer as correspondentes variações na razão
Mn+3/Mn+4. Por fim, estabelecer o efeito de tratamento térmico a
diferentes atmosferas (O2, ar e argônio) na resposta magnética
destes compostos.
ii. A teoria de Kondo (para ligas magnéticas diluídas) explica a
interação os spins localizados destas impurezas magnéticas com os
elétrons de condução dos metais. Contudo, as propriedades
magnéticas e de transporte das manganitas óxidas devem resultar de
outros mecanismos. Em temperaturas mais baixas que a temperatura
de Curie, TC, as manganitas óxidas (sejam as de estrutura perovskita
ou espinélio) apresentam resposta ferromagnética e comportamento
metálico. A técnica de susceptibilidade AC pode estudar as variações
da temperatura de freezing, Tf, em função da frequência de
excitação, executando um teste de validade para classificação spinglass-like behavior para as manganitas óxidas e, estabelecendo uma
relação deste com a resposta das medidas de transporte elétrico
dentro da concepção do Kondo-like transport behavior apresentado
por Zhao e colaboradores11.
iii. A resposta magnética em filmes finos é, em parte, dependente da
espessura do filme, como colocado anteriormente. Assim pretendese também iniciar o estudo da resposta magnética em filmes com
espessura de 200 nm e controladamente diminuir a espessura
9
observando o limite da existência da auto-organização (selfassembling) das partículas e relacionar com a microestrutura
apresentada as variações na temperatura de pico (Tp) e de Curie
(TC) das amostras.
É interessante lembrar que o Grupo de Supercondutividade da UNESP
pesquisa a preparação de sistemas óxidos por vias químicas, que permite obter
uma grande gama de materiais óxidos na forma de pó. O grupo está
interessado em adquirir em médio prazo e em paralelo a este projeto, um
equipamento que permita a prensagem a quente do pó resultante da formação
química dos materiais óxidos, o que permitirá o aprendizado da tecnologia de
fabricação de alvos para a deposição de filmes por PLD.
Óxidos transparentes e suas aplicações
Óxidos transparentes têm sido utilizados mais freqüentemente como
eletrodos transparentes para displays de cristal líquido ou dispositivos
optoeletrônicos orgânicos, como é o caso do ITO (oxido de estanho dopado
com índio), ZnO dopado com Al e SnO 2 dopado com Sb. Apenas recentemente
com o desenvolvimento de novas técnicas de crescimento, como a epitaxia
reativa de fase-sólida ou a epitaxia de fase-sólida simples com posterior
tratamento térmico, foi possível a fabricação de filmes monocristalinos de novos
óxidos
transparentes
para
serem
utilizados
também
em
dispositivos
optoeletrônicos como transistores transparentes de filmes finos, diodos
emissores de luz na faixa do UV próximo e detectores de UV transparentes ao
visível12. A fronteira dos estudos em óxidos transparentes está se expandindo
na direção dos óxidos de gap largo contendo metais leves, através de vários
novos óxidos tipo-p incluindo óxidos amorfos13.
Novos materiais magnéticos e supercondutores têm atraído bastante
interesse devido à perspectiva de seu uso em spintrônica. O interesse também
se
deu
pelo
aparecimento
de
novos
fenômenos
físicos,
incluindo
magnetorresistência colossal em manganitas dopadas, supercondutividade
intermediada por spin, coexistência de ferroeletricidade e ferromagnetismo em
10
óxidos, dentre outros efeitos.
Cálculos teóricos têm mostrado que o campo magnético gerado por um
único vórtice no supercondutor é capaz de localizar cargas polarizadas em spin
nos semicondutores magnéticos diluídos14. Nos últimos anos, uma série de
dispositivos sofisticados de manipulação de vórtices foi desenvolvida 15.
A grande variedade de estruturas cristalinas e mesmo os íons
constituindo os óxidos, juntamente com sua ampla disponibilidade e
compatibilidade com o meio ambiente, representam um enorme potencial para
o desenvolvimento de novos materiais compostos para serem utilizados em
spintrônica e eletrônica transparente. Este subprojeto de pesquisa tem como
tema principal o estudo das propriedades ópticas de filmes e heteroestruturas
de óxidos transparentes, condutores, semicondutores ou supercondutores. As
técnicas experimentais a serem empregadas neste estudo serão basicamente
a luminescência, no caso de óxidos semicondutores, ou o espalhamento
Raman em todos os casos. Os resultados obtidos com a luminescência podem
fornecer informações relevantes para o estudo destes óxidos, tais como
formação ou não de éxcitons, energia de ligação dos mesmos, energia de
ligação dos éxcitons a níveis de impureza e consequente identificação dos
dopantes dos filmes semicondutores. A falta de filmes monocristalinos de
óxidos transparentes é um fator limitante de performance para seu uso em
dispositivos optoeletrônicos. Com o espalhamento Raman poderemos estudar
o grau de cristalinidade dos filmes de óxidos transparentes a serem fabricados
no sistema PLD ou mesmo a estrutura natural em forma de super-rede
apresentada por uma série de famílias de óxidos, tais como InGaO 3(ZnO)m,
In2O3(ZnO)m (m sendo um inteiro), ZnRh2O4, e LaCuOS. Nestes casos esperase a presença de modos vibracionais dobrados devido à presença da super
periodicidade da estrutura.
Alguns óxidos supercondutores de altas temperaturas, tais como o
YBa2Cu3O7-δ e Bi2Sr2CaCu2O8+δ apresentam anomalias em seus espectros
Raman quando parte dos seus íons de Cu 2+ são substituídos por outras
impurezas. Em longo prazo, pretendemos estudar o espalhamento Raman
eletrônico destes e outros óxidos supercondutores em temperaturas próximas
as suas temperaturas críticas para observar a influência destas impurezas em
11
tais sistemas apresentando forte correlação eletrônica. Outros sistemas de
elétrons fortemente correlacionados são representados pelas perovskitas de
manganês, ou manganitas, tais como LaMnO 3. O espalhamento Raman destes
sistemas é afetado pelo ordenamento orbital dos elétrons dos íons de Mn 3+. O
estudo da espectroscopia Raman das manganitas é ainda mais valioso na
elucidação dos mecanismos físicos envolvidos neste delicado balanço entre os
vários graus de liberdade (spin, orbital, carga, Jahn-Teller) com respectivos
parâmetros de ordem que competem ou cooperam entre si, dando origem a
uma gama extensa de estados fundamentais distintos com energias muito
próximas. Ambas as classes de óxidos poderão ser fabricadas pelo sistema
PLD proposto viabilizando consequentemente os estudos acima mencionados.
Dentre os materiais propostos para fazer papel principal na chamada
spintrônica, os semicondutores magneticamente diluídos têm se mostrado
como os mais promissores. Com uma alta concentração de material magnético
diluído, estes podem se aglomerar formando nanoestruturas magnéticas dentro
da matriz semicondutora. Com a junção entre materiais semicondutores com
filmes supercondutores abre-se a possibilidade de manipulação de cargas nos
materiais semicondutores através da manipulação de vórtices no material
supercondutor. Dependendo dos íons e estrutura cristalina envolvida podemos
fabricar óxidos apresentando comportamento semicondutor, como é o caso do
ZnO, ou então supercondutor, como é o caso do YBa 2Cu3O7-δ (YBCO). A
caracterização eletrônica através das propriedades ópticas destas novas
heteroestruturas torna-se então essencial. A proposta aqui é o estudo destas
novas heteroestruturas formadas entre os óxidos magneticamente diluídos e
com caráter semicondutor com filmes de óxidos supercondutores.
Tendo em vista a ampla variedade de possibilidades de estudo e o
tempo limitado em dois anos para a execução desta proposta, na linha “Óxidos
magnéticos avançados” teremos como foco os seguintes materiais nos estudos
acima propostos: CeO2, LaMnO3, LSMO, LCMO e YBCO. Estes materiais
serão estudados inicialmente de maneira isolada e possíveis combinações
entre eles podem ser exploradas dependendo dos resultados obtidos.
2. Multiferróicos artificiais
12
É interessante salientar que materiais óxidos mais complexos podem
apresentar características muito interessantes do ponto de vista spintrônico
como o controle de magnetização via polarização elétrica e o de polarização
elétrica via campos magnéticos. Materiais que possuem esta característica são
conhecidos como multiferróicos16, considerados com um futuro promissor no
ramo da eletrônica de spins. Esta linha de pesquisa surge naturalmente a partir
da linha dos DMOs e, caminhar nesta direção, é do interesse dos grupos de
pesquisa envolvidos neste. O interesse tecnológico dos multiferróicos é
imediato, pois apresenta graus de liberdades adicionais para componentes
multifuncionais. Os cenários mais promissores para aplicações estão no
domínio de dispositivos de memórias electric-write magnetic-read que
combinam o melhor das memórias de acesso aleatório ferroelétricas (FeRAMs)
e magnéticas (MRAMs)17 e também no domínio de sensores de campos
magnéticos18 que podem substituir a tecnologia atual SQUID, funcional apenas
em baixas temperaturas.
Um cristal ferroelétrico (FE) exibe uma polarização elétrica estável e
direcionável, a qual é resultado do deslocamento atômico cooperativo no
interior do material. Já um cristal ferromagnético (FM) exibe uma magnetização
estável e direcionável, a qual surge do fenômeno quântico de exchange,
resultado de interações coulombianas associadas ao princípio de Pauli nas
regiões intra e inter-átomos no material. O acoplamento magneto-elétrico
(AME) é o responsável pela conexão entre as propriedades elétricas e
magnéticas
nos
multiferróicos.
Entretanto,
existem
poucos
materiais
naturalmente multiferróicos, o que é compreendido em termos dos mecanismos
convencionais auto-excludentes que levam à ferroeletricidade (deslocamentos
catiônicos necessitam de orbitais d vazios) e ao ferromagnetismo (a formação
dos momentos magnéticos resulta normalmente de orbitais d parcialmente
preenchidos).
Para que as propriedades de ferromagnetismo e ferroeletricidade
coexistam em um mesmo material de fase única é necessário que os átomos
que se deslocam para formar os momentos de dipolo elétrico não sejam os
mesmos que os responsáveis pelo momento de dipolo magnético 19,20. Os
13
materiais que apresentam este comportamento são 21 YMnO3, TbMnO3,
Tb2Mn2O5, BiFeO3, Cr2O3, BiMnO3, CoCr2O4 e CuO22. Boa parte destes
materiais foram estudados em sua forma bulk na literatura, sendo que o estudo
na forma de filmes finos e nanoestruturas possui forte demanda no
desenvolvimento desta tecnologia. Entretanto, normalmente os compostos são
anti ferromagnéticos, com baixas temperaturas críticas, dificultando aplicações,
e o AME é intrínseco aos materiais o que torna este desenvolvimento bastante
complexo.
Uma estratégia alternativa para a engenharia de materiais com forte
AME é a de introduzi-lo de forma indireta entre dois materiais, compondo uma
estrutura que possua interfaces FE/FM. Nestes casos, o AME é uma
propriedade de um produto tensorial que resulta de interações cruzadas entre
os diferentes ordenamentos das fases FM e FE do composto 23. De uma
maneira simplificada, em sistemas compostos os AMEs para os casos de
controle por campo elétrico (E) e magnético (H) podem ser escrito na forma 24:
AMEE=
elétrico
mecânico
×
mecânico magnético
AMEH=
magnético mecânico
×
mecânico
elétrico
Nem o FE nem o FM possuem AME, mas este último pode surgir entre
os dois por interações elásticas. Desta forma, os materiais ideais para compor
a estrutura devem ser os FE que apresentam piezoeletricidade e o FM que
apresentem magnetostricção. Assim, se um campo elétrico for aplicado, o
piezoelétrico responderá com uma deformação que por sua vez induzirá
mudança de magnetização ao FM. Se um campo magnético for aplicado, o
magnetostrictivo reagirá com deformação e poderá ocasionar mudança na
polarização do FE. O AME em materiais compostos é, portanto, uma
propriedade extrínseca dependendo da microestrutura dos compósitos e da
interação de acoplamento na interface entre FE e FM, sobre as quais podemos
ter maior controle experimental.
A descrição acima é o que chamamos multiferróicos artificiais neste
14
projeto. Boa parte dos estudos apresentados na literatura para este ramo
também é baseada em materiais bulk. A fabricação por PLD destes compostos
na forma nanoestruturada, além do fator miniaturização, apresenta vantagens
com relação à forma massiva pelo maior controle das propriedades
extrínsecas. Em escalas nanométricas, surgem graus de liberdades adicionais
tais como tensão de rede pela epitaxia e interação interfacial entre os
diferentes filmes finos que compõe a estrutura e que são determinantes no
controle das propriedades desejadas. Estes graus de liberdade adicionais
podem ser controlados e tornados reprodutíveis pelas condições experimentais
de crescimento dos materiais.
São duas as principais maneiras de produzir um multiferróico artificial
que estão ilustradas na Figura 5: a) mistura de grãos FE e FM e; 2) filmes finos
FE e FM em bi ou multicamadas. Nas duas situações, cada material deve ser
otimizado separadamente para operação em temperatura ambiente. O
acoplamento elástico entre FE e FM depende fortemente da região de interface
entre estes materiais. É interessante lembrar que no caso da mistura de grãos,
o material magnético deve ser isolante para evitar curtos-circuitos. Este
problema também pode ocorrer na estrutura de multicamadas dependendo da
geometria de excitação por campos elétricos. Entretanto, nesta configuração,
pode-se utilizar FMs metálicos, desde que sejam evitados pinholes entre as
camadas FMs separadas pelas Fes.
Figura 5: Ilustração mostrando as duas principais maneiras de obtenção de multiferróicos artificiais:
a) mistura de grãos FE e FM e; b) filmes finos FE e FM numa estrutura de bi ou multicamadas .
Dentro desta proposta trataremos o caso de filmes epitaxiais, pois estes
permitem realizar estudos mais acurados sobre o AME pelo fato de que a
orientação cristalográfica, espessura, rugosidade e química interfacial dos
filmes contínuos serem mais facilmente controladas. Resultados interessante e
15
relativamente recentes[25-27] envolvendo AME encontrados na literatura nos
motivaram na escolha dos materiais para esta parte do projeto. Utilizaremos
substratos de STO e LaAlO3, sobre os quais otimizaremos a qualidade
cristalina de filmes de manganitas ferromagnéticas (LCMO e LSMO) e de filmes
de piezoelétricos de Pb(Zr,Ti)O3 (PZT). Na etapa seguinte, buscaremos a
otimização do crescimento de nanoestruturas LSMO(ou LCMO) / PZT /
STO(001), PZT / LSMO(ou LCMO) / STO (001), LSMO(ou LCMO) / PZT /
LaAlO3(001) e PZT / LSMO(ou LCMO) / LaAlO3 (001).
3. Filmes finos supercondutores
Há muitos anos, pesquisas em materiais têm sido fortemente
direcionadas ao desenvolvimento de filmes. O aprimoramento de técnicas
típicas da ciência dos materiais para o desenvolvimento e a caracterização
filmes finos tem aberto novas fronteiras para a física, que passa a ocupar-se de
forma crescente de amostras com alta razão área/volume, de modo que a
existência de superfícies não pode ser ignorada. Os efeitos daí decorrentes são
tema de alta relevância para a física atual.
Para materiais supercondutores (SC) na forma de filmes finos, muitos
efeitos manifestam-se através de respostas magnéticas não-convencionais.
Simulações realistas quanto à geometria da amostra e à sua interação com os
vórtices (fluxo quantizado penetrado no supercondutor), favorecem a
compreensão de fenômenos tipicamente associados ao caráter quasebidimensional do problema. A riqueza de opções para novos estudos,
entretanto, requer amostras de boa qualidade que, no caso de supercondutores
de altas temperaturas críticas (HTS), só podem ser obtidas a partir da técnica
de PLD.
Dentre as várias possibilidades que se pode concretizar a partir da
disponibilidade de boas amostras, podemos citar:
i. A resposta magnética de filmes finos SCs é muito semelhante às de
amostras mesoscópicas, que despertam grande interesse quando se
considera o rápido avanço da ciência e da tecnologia para os
domínios nanométricos. Uma importante diferença, porém, é que
16
filmes podem ser estudados com magnetômetros convencionais, o
que não é possível no caso de amostras mesoscópicas, que
requerem o emprego de técnicas de detecção local, tais como
microsensores Hall ou microscópios SQUID;
ii. Filmes relativamente extensos (dimensões laterais da ordem de
centenas de mícrons) podem abrigar arranjos ordenados de defeitos
colunares, produzidos artificialmente, com vistas ao estudo de sua
interação com vórtices penetrados. A produção de filmes de boa
qualidade, no qual são depois indentados milhares de defeitos na
forma de redes ordenadas, propicia o estudo das condições ótimas
para o ancoramento dos vórtices pelas colunas, uma condição vital
para viabilizar o transporte de altas correntes supercondutoras pela
amostra. Assim, outro estudo previsto é penetração de fluxo de
campo magnético a movimentação de vórtices em supercondutores,
que é um processo dissipativo. Em condições adversas, o
aquecimento local associado a esse movimento pode desencadear a
supressão da supercondutividade e, portanto, a compreensão deste
fenômeno em estruturas com dimensões reduzidas é de importância
tecnológica. Em amostras reais, as não homogeneidades associadas
com defeitos e desordem agem como centros de aprisionamento
(pinning centers, PCs) e afetam a ordem da rede de vórtices. Uma
estratégia clássica para evitar transições catastróficas ao estado
normal é dotar a amostra de Pcs28. Isto, entretanto, torna mais rica a
dinâmica de vórtices e, conseqüentemente, mais complexa sua
compreensão plena. Neste projeto, o interesse é estudar a influência
de Pcs naturais e também o caso no qual os PCs formam um arranjo
regular de defeitos colunares. Estes últimos serão feitos por técnicas
distintas, tais como nanoindentação, desbaste por feixe iônico e
litografia. Uma das técnicas a ser utilizada neste estudo é a
tradicional suscetibilidade AC em função de campo magnético DC,
campo oscilante de prova (intensidade e freqüência) e temperatura.
17
Esta proposta ainda prevê a utilização de uma técnica de caracterização
de materiais bastante versátil e hoje a mais poderosa para o estudo de
domínios magnéticos baseada na produção de imagens empregando técnicas
magneto-óticas (magneto-optical imaging, MOI). A idéia é, literalmente, poder
ver o que se passa. Atualmente, cerca de trinta grupos no mundo têm acesso a
essa técnica, sendo o grupo de Oslo, liderado pelo Prof. Tom Johansen, um
dos mais destacados, único capaz de fazer, cotidiana e sistematicamente,
imagens com resolução suficiente para observar vórtices individuais 29. A base
experimental para a produção de imagens pela técnica MOI é o efeito
Faraday[30-35], i.e., a rotação da direção de polarização da luz induzida pelo
campo magnético. Dentre os materiais que têm sido usados como indicadores
em MOI, os de uso mais frequente são filmes ferrimagnéticos de Bi:YIG (Ytrium
iron garnet com Bi substitucional), que têm magnetização espontânea no plano.
A aplicação de um campo perpendicular ao filme cria uma componente
perpendicular na magnetização que causa a rotação de Faraday. O filme
indicador é colocado no caminho do feixe de luz, entre um polarizador e um
analisador (a 90°). Um campo magnético perpendicular ao filme faz com que a
magnetização se incline. O aparecimento de uma componente fora do plano
causa uma rotação da direção da polarização, tanto maior quanto maior for o
campo magnético. Após atravessar o analisador, a luz terá uma distribuição
espacial cuja intensidade reflete a distribuição espacial do campo magnético no
plano do filme indicador que corresponde aproximadamente ao que existe na
superfície da amostra. Cabe ressaltar que para a implantação de estação
experimental para o estudo de espécimes magnéticos através da técnica MOI
teremos o apoio valioso do Prof. Johansen, reconhecido mundialmente como
uma das maiores autoridades em MOI.
Nesta proposta, Nb e YBCO são os materiais que adotaremos para
iniciar os estudos de crescimento de filmes finos supercondutores por PLD,
bem como, das propriedades supercondutoras de materiais com dimensões
reduzidas a serem realizados no prazo de 2 anos do projeto.
18
Material e Métodos:
A deposição de filmes finos sobre substratos sólidos tem suas origens
históricas há mais de 50 anos. De maneira geral, as tecnologias de deposição
de filmes mais utilizadas atualmente podem ser separadas em três grandes
grupos: PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition) e
eletrodeposição. Existem também outros métodos, como os filmes LB
(Langmuir-Blodgett), mas sem dúvida os filmes sintetizados por CVD ou PVD
possuem algumas características de qualidade insuperáveis.
As várias décadas de experimentação e caracterização transformaram
as técnicas de PVD e CVD em sofisticados instrumentos de preparação
controlada de amostras. Várias tecnologias modernas dependem fortemente de
alguma técnica PVD ou CVD. Dentro das técnicas de PVD e CVD encontramse agrupados: evaporação térmica simples, a epitaxia por feixe molecular
(MBE), o sputtering ou desbaste iônico, a deposição assistida por feixe iônico
(IBAD), o CVD de baixa pressão (LPCVD), o CVD de metalorgânicos (MOCVD)
e o CVD auxiliado por plasma (PECVD), que estão entre as técnicas mais
conhecidas. Há pouco mais de uma década surgiu uma nova técnica muito
simples e precisa, na qual os filmes são depositados a partir da ablação ou do
desbaste de um alvo por um laser pulsado de alta potência. Na literatura esta
técnica é conhecida por PLD (pulsed laser deposition) ou alternativamente LA
(laser ablation)36. Uma ilustração do crescimento por PLD está apresentada na
Figura 1.
A técnica do PLD requer uma câmara de crescimento, um laser de alta
potência e um alvo sólido. Mais especificamente, a câmara deve ter
capacidade de atingir ultra alto-vácuo para propiciar a síntese de filmes livres
de contaminantes. Vários tipos de laser pulsado podem ser utilizados e,
dependendo do alvo sólido a ser desbastado, lasers de diferentes
comprimentos de onda, potência e frequência de pulsos são empregados.
Cada pulso de laser ao iluminar o alvo produz um violento desbaste com a
ionização parcial do material vaporizado gerando um plasma. Temperaturas
instantâneas de mais de 10.000 K são atingidos nesta região de plasma. Este
plasma se expande pela repulsão dos íons e o material que expande é coletado
19
sobre substratos. Cada pulso de laser gera um pulso de deposição que pode
ter uma taxa instantânea de 105 Å/s, taxa inatingível com qualquer outra
técnica PVD ou CVD. Sob condições específicas a cada material, é possível
obter a nucleação camada-por-camada para a produção de filmes ultrafinos
com alta qualidade cristalina mesmo para compostos quimicamente complexos.
Este método gera filmes com microestrutura diferenciada das outras técnicas e,
característica muito importante no quesito reprodutibilidade e controle, quase
sempre
sintetiza
filmes
com a
mesma
composição
do
alvo
sólido
desbastado36,37.
Figura 1: Ilustração da deposição por PLD
A técnica do PLD possui vários atrativos desejáveis:
a) Os filmes depositados têm a composição original do alvo
desbastado. Algumas outras técnicas por PVD e CVD enfrentam
dificuldades técnicas no controle adequado da estequiometria dos
materiais preparados;
b) A técnica é mais simples que as concorrentes por PVD e CVD,
envolvendo basicamente uma boa câmara de vácuo, uma fonte
de laser pulsado adequada e alvos de qualidade;
c) A taxa instantânea de deposição pode ser extremamente alta,
20
embora seja relativamente simples controlar a taxa de deposição
em valores que permitam uma epitaxia de camadas bem
controlada, similar ao que é obtido pelas outras técnicas PVD e
CVD;
d) A flexibilidade na mudança de um tipo de filme para outro é
extrema e normalmente apresenta dificuldades tecnológicas
mínimas; e) Há alguns tipos de filmes que só podem ser
depositados pela técnica do PLD, entre eles, filmes de
supercondutores cerâmicos e filmes de óxidos complexos, que
são hoje os tecnologicamente mais interessantes e não podem
ser crescidos com a qualidade necessária pelos métodos
usualmente empregados para epitaxia de metais e materiais
semicondutores;
e) Há alguns tipos de filmes que só podem ser depositados pela
técnica do PLD, entre eles, filmes de supercondutores cerâmicos
e filmes de óxidos complexos, que são hoje os tecnologicamente
mais interessantes e não podem ser crescidos com a qualidade
necessária pelos métodos usualmente empregados para epitaxia
de metais e materiais semicondutores;
f) A adição de gases (ou condições de crescimento - temperatura e
pressão) específicos ao sistema PLD pode levar à produção de
nanopartículas e não a filmes, já que neste caso o material
desbastado pelo pulso do laser condensa em nanoaglomerados
antes de chegar ao substrato (ou na superfície do substrato) de
coleta.
A PLD é, portanto, uma técnica muito versátil e que permite a fabricação
de filmes finos e nanoestruturas de uma vasta gama de materiais com
características completamente distintas. Por exemplo, além de crescer filmes
de óxidos complexos e filmes cerâmicos supercondutores, é também possível
21
obter
filmes
poliméricos,
filmes
cristalinos
de
óxidos
magnéticos
semicondutores, óxidos transparentes, filmes metálicos e semicondutores
tradicionais, como também, óxidos binários e ternários amorfos. Outra
vantagem da técnica é a possibilidade de fazer o crescimento de camadas
alternadas desses materiais, digamos isolante/supercondutor/semicondutor ou
misturas similares, e de uma maneira simples.
Nenhuma outra técnica PVD e CVD atual apresenta tamanha
flexibilidade. Sem dúvida alguma, o desenvolvimento e/ou fortalecimento de
know-how contido nas variadas possibilidades de aplicação da técnica de PLD
em nanotecnologia será de grande valia para o avanço científico-tecnológico no
Brasil.
A Universidade Federal do Paraná está em posição vantajosa com
relação à implementação da técnica PLD. O Laboratório de Nanoestruturas e
Sensores (LANSEN) do Departamento de Física da UFPR, o qual abrigará o
sistema em questão, fornecerá em contrapartida a maior parte dos
equipamentos necessários para a montagem PLD, a saber:
 Um laser Quantronix modelo 4117 de 80 W no contínuo em 1064
nm. Possui Q-switch, Mode-locker e Gerador de Segundo
Harmônico para 532 nm para deposição de metais. Está em
aquisição para este laser o Gerador de Terceiro Harmônico para
pulsar em ultravioleta para deposição de óxidos e isolantes. Além
disto, está sendo adquirido um Pulse-picker para pulsos de
femtosegundos para a realização de experimentos de óptica nãolinear.
 Um laser Quantronix modelo 117 de 35 W no contínuo em 1064
nm. Só dispõe da opção não pulsada e poderá ser utilizado no
aquecimento de amostras em PLD via radiação infravermelha.
Além disto, o LANSEN dispõe de todos os acessórios ópticos
necessários tais como espelhos, lentes e passadores para vácuo, bem como,
um posicionador piezoelétrico para realizar a varredura do feixe de laser sobre
22
o alvo de ablação, garantindo a estequiometria do depósito e sua durabilidade.
Dois passadores rotativos para ultra-alto vácuo que serão utilizados para troca
de alvos e amostras na câmara futura de PLD também estão à disposição do
projeto. Estes equipamentos e acessórios foram adquiridos no s últimos anos
através de projetos individuais e/ou doações tendo por meta a construção de
um PLD.
De fato, a estrutura local já permite a fabricação de nanoestruturas, tais
como nanopartículas de metais em solução líquida. A Figura 2 mostra imagens
do laser 4117 em funcionamento, atingindo o alvo de Ni para a fabricação de
nanopartículas em meio líquido. Obviamente, para o desenvolvimento de
tecnologia em filmes nanoestruturados é necessário um ambiente limpo em
ultra-alto vácuo. Em vista da infra-estrutura local, as demandas mínimas deste
projeto para operacionalizar a deposição de nanoestruturas por PLD são:
1. Uma câmara para ultra-alto vácuo (~ 14 L)
2. Anéis de cobre para vedação da câmara
3. Uma estação de bombeamento para ultra-alto-vácuo (~1x10-9
torr) com sensores
4. Material para confecção de porta alvos e porta amostras
5. Alvos dos diferentes materiais
6. Substratos
7. Válvula agulha para inserção de gás na câmara
As Figuras 3 e 4 mostram esquemas ilustrativos da proposta de câmara
para a deposição por PLD. A câmara será cilíndrica (Fig. 3) e terá
aproximadamente 14 litros de volume interno. Ao longo de seu perímetro em
meia altura, contará com entradas para laser (LA), gás (G), porta amostras
(PAM), porta alvos (PA), pirômetro (PY – posicionado acima da meia altura)
para medida de temperatura do substrato e uma entrada adicional para
inserções futuras (P). Nas extremidades da câmara cilíndrica (Fig. 4) serão
colocadas entradas para a estação de bombeamento (VAC - parte de baixo) e
janela de observação (JAN) + futura entrada para um sistema de carregamento
de amostras (parte de cima).
23
Figura 3: Esquema ilustrativo da câmara PLD vista de cima.
Figura 4: Esquema ilustrativo da câmara PLD vista lateralmente.
24
Cronograma:
Atividades Ago/11 Set/11 Out/11 Nov/11 Dez/11 Fev/12 Mar/12 Abr/12 Mai/12 Jun/12
Implementação da
técnica
Confecção
de
amostras
x
x
x
x
x
Caracterização das
amostras
x
Análise
das
medidas
de
caracterização
x
x
Produção
de material
de
divulgação
científica
x
x
x
x
Recursos (Físicos, Materiais e Financeiros):
Todos os equipamentos, insumos, suprimentos e material de consumo
para a realização do projeto já estão disponibilizados na Universidade Federal
do Paraná, através dos laboratórios e grupos de pesquisa:
1. Universidade Federal do Paraná:
I. Grupo de Filmes e Nanoestruturas Magnéticas
O Grupo de Filmes e Nanoestruturas Magnéticas do Departamento de
Física da UFPR possui dois laboratórios: o Laboratório de Superfícies e
Interfaces (LSI) e o Laboratório de Nanoestruturas para Sensores (LANSEN).
O LSI ocupa uma área de 40 m2 e dispõe de um sistema VG ESCA3000
para análise microquímica por espectroscopias de fotoelétrons (AES e XPS)
em UHV podendo realizar análises no intervalo de temperatura entre -175 °C e
800 °C.
25
O LANSEN ocupa uma área de 100 m2 e dispõe de dois sistemas para
eletrodeposição e análise eletroquímica (potenciostato/galvanostato EG&G
273A e Ohmnimetra 5000), uma evaporadora por feixe de elétrons (Balzers
BAS570), um magnetômetro de força gradiente alternante (operação à
temperatura ambiente e campos de até 7 kOe), um sistema de recozimento de
amostras por RTA (Rapid Thermal Annealing) controlado por PID até 800 °C
acoplado a um sistema de medida de resistência elétrica in situ, sistema de
medidas de resistividade e magnetorresistência usando método de quatro
pontas com corrente alternada e detecção síncrona (amplificador lock in EG&G
5210). O LANSEN dispõe ainda de 2 lasers Nd:YAG da Quantronix, modelos
4117 de 80 W e 417 de 35 W. Além da fabricação de nanoestruturas
magnéticas e superfícies hidrofílico-hidrofóbicas as atividades de pesquisa do
grupo são focalizadas na caracterização desses materiais usando técnicas de
microscopia (TEM, SEM, AFM e MFM), análise estrutural (XRD, SAED) e
análise química (XPS, AES e EDS).
A caracterização magnética de materiais sustenta-se em colaborações
com outros centros no país, em especial, o GSM da UFSCar. O grupo também
tem acesso direto a laboratórios multi-usuários institucionais dentro da UFPR
que dispõem dos seguintes equipamentos instalados: um difratômetro de raiosx (Shimadzu 5000) com estágio para controle de temperatura entre -175 °C e
400 °C, um difratômetro quatro círculos com monocromador de quatro cristais
de Ge(111), um microscópio de força atômica e magnética (Shimadzu SPM9500J3) com acessórios para processo eletroquímicos in situ, microscópios
eletrônicos de transmissão e varredura do Centro de Microscopia Eletrônica da
UFPR (JEOL JEM1200EX-II e JEOL JSM6360-LV) tendo como acessórios EDS
com imageamento digital e catodoluminescência.
II. Grupo de Propriedades Ópticas, Eletrônicas e Fotônicas
O
grupo de
Propriedades Ópticas,
Eletrônicas e
Fotônica
do
Departamento de Física da UFPR foi criado há cerca de quatro anos. No
entanto, seus membros já possuem experiência de mais de quinze anos no
estudo das propriedades ópticas de semicondutores.
26
Os membros do grupo apresentam históricos de colaboração com outros
grupos de pesquisa da mesma instituição, com instituições participantes deste
projeto, e com pesquisadores de outras instituições nacionais e internacionais.
A infraestrutura experimental disponível atualmente inclui um laboratório com
capacidade
para
realizar
medidas de
fotoluminescência
usando
dois
espectrômetros: dual Jarrel-Ash (infravermelho próximo) e Andor com CCD
(UV-visível). Um detector de InGaAs refrigerado estende a capacidade de
detecção para o IV próximo. A excitação pode ser feita com lasers de estado
sólido (532 nm, 300 mW; 473 nm, 50 mW) ou de gás (He-Ne, 632.8 nm, 20
mW). O mesmo arranjo experimental permite medidas de espalhamento
inelástico de luz (Raman) utilizando filtro notch ou sharp edge apropriados para
532 nm ou 632.8 nm.. Um criostato de circuito fechado de He (Janis) permite
que ambas as técnicas possam ser utilizadas a temperaturas entre 10 e 800 K.
O Grupo dispõe também de um espectrofotômetro (Perkin-Elmer) com duas
fontes de iluminação (deutério e tungstênio) para levantar espectros de
transmissão na faixa de 200 nm a 900 nm em amostras sólidas ou em solução
e um arranjo experimental para técnicas de espectroscopia de modulação
(transmissão e refletividade moduladas). Os feixes de prova monocromáticos
são providenciados por um espectrofotômetro (Beckman) para a faixa do UV
visível e por um espectro radiômetro (OPTRON) para a faixa do vermelho e
infravermelho próximo (até 2 µm), enquanto que a modulação da função
resposta das amostras é realizada por um laser de He-Ne interrompido a uma
frequência determinada por um chopper (Stanford). Dependendo das
necessidades de
cada
sistema
estudado,
modificações
nos
arranjos
experimentais básicos descritos acima (polarização, energia e potência de
excitação, dentre outras) podem ser realizadas utilizando a infraestrutura de
componentes ópticos disponíveis no grupo.
2. Universidade Federal de São Carlos
I. Grupo de Supercondutividade e Magnetismo
O Grupo de Supercondutividade e Magnetismo (GSM) do Departamento
27
de Física da UFSCar desenvolve pesquisas nas seguintes linhas de pesquisa :
supercondutividade em materiais cerâmicos, magnetismo e magneto-transporte
em sistemas nanoestruturados magnéticos e estudos do cromo e suas ligas
anti ferromagnéticas. O laboratório do grupo possui de infraestrutura para
operar com hélio líquido usando linha de recuperação de gás e reservatórios.
Os equipamentos disponíveis para caracterização de materiais magnéticos e
supercondutores são :
 MPMS-5S – magnetômetro com sensor SQUID: O magnetômetro
SQUID MPMS- 5S que foi adquirido em 1996 com recursos da
FAPESP e está em plena operação, sendo um equipamento que
funciona praticamente de maneira ininterrupta 24 horas por dia, 7
dias por semana. Consiste em um magnetômetro com sensor
SQUID que opera de 1.8 K até 800 K e campos de até 50 kOe.
Esta estação conta também com um suscetômetro AC (com
sensor SQUID) posicionador de amostras, forno para altas
temperaturas (até 800K) e acessório de alta resolução (10-9 emu).
 PPMS – 6000 – O sistema consiste em uma plataforma que
permite a montagem de diversos tipos de experimentos e inclusão
de acessórios. O nosso sistema pode operar na faixa de 1.8 K até
400 K com campos magnéticos de até 90 kOe. No momento
estão
disponíveis
magnetização
acessórios
convencional
que
permitem
(resolução
de
medidas
10
-5
de
emu),
suscetômetro AC (até 10 kHz), resistividade elétrica e medidas de
corrente versus tensão para tensões de até 100 mV. Como
mencionamos acima está em fase final de implantação a célula
capacitiva para medidas de expansão térmica com a aplicação de
campos magnéticos.
 VSM – EG&G – Magnetômetro de amostra vibrante: O
magnetômetro de amostra vibrante está instalado em um
eletroímã que permite campos magnéticos de até 10 kOe com
sensibilidade de 10-5 emu. Este sistema está instalado em um
criostato de fluxo Janis, que permite operar de 1.4 até 330 K.
28
 Suscetômetro AC: Sistema desenvolvido em nosso laboratório
que opera na faixa de 77 K a 350 K com campos AC de até 100
Oe.
 Criostato de fluxo de He: Este sistema encontra-se no momento
sem controlador de temperatura e nele será montada a técnica de
medidas de expansão térmica.
 Microscópio de força atômica (AFM) e tunelamento (STM) –
Microimaging – Este sistema permite realizar crescimento de
amostras por via eletroquímica.
 Forno a arco voltaico: Forno desenvolvido em nosso laboratório
que permite a fusão de metais de transição e obter ligas com alto
grau de pureza. Fornos para tratamento térmico: Atualmente
dispomos de 4 fornos (um com atmosfera controlada) que permite
realizar tratamentos térmicos nas amostras produzidos pelo nosso
grupo.
 Sistema
de
imagem
magneto-ótica
(MOI):
em aquisição.
Instalação prevista durante o ano de 2009.
3. Universidade Estadual Paulista
I. Grupo de Supercondutividade
O Grupo de Supercondutividade da UNESP-Bauru dispõe do Laboratório
de Materiais Supercondutores (LMSC). Os equipamentos disponibilizados para
a realizar atividades desta proposta são: dois sistemas de preparação de filmes
finos. Spin coating CHEMAT 4A-KV e dip-coater nacional, 1 sistema sputtering,
2 muflas EDG, 1 forno tubular com atmosfera controlada marca JUNG, 1 bomba
de vácuo KV8 Edwads, 1 capela de síntese química, 1 forno de crescimento de
cristais tipo Bridgman.
29
Colaboradores Externos:
1. Prof. Dr. Wido Herwig Schreiner / Departamento de Física / Grupo de
Filmes e Nanoestruturas Magnéticas / CNPq 1B - UFPR
2. Prof. Dr. Dante Homero Mosca Jr / Departamento de Física / Grupo de
Filmes e Nanoestruturas Magnéticas / CNPq 1D - UFPR
3. Prof. Dr. Edilson Sérgio Silveira / Departamento de Física / Grupo de
Propriedades Ópticas, Eletrônicas e Fotônica - UFPR
4. Prof. Dr. Evaldo Ribeiro / Departamento de Física / Grupo de
Propriedades Ópticas, Eletrônicas e Fotônica / CNPq 2 - UFPR
5. Prof. Dr. Cyro Ketzer Saul / Departamento de Física / Grupo de
Propriedades Ópticas, Eletrônicas e Fotônica - UFPR
6. Prof. Dr. Wilson Ortiz / Departamento de Física / Grupo de
Supercondutividade e Magnetismo / CNPq 1C - UFSCAR
7. Prof. Dr. Paulo Noronha Lisboa Filho / Departamento de Física / Grupo
de Supercondutividade / CNPq 2 - UNESP-Bauru
Considerações finais
A instituição executora possui uma equipe proponente com a
qualificação técnica e científica necessária para implantação da técnica PLD
respaldada por uma extensa produção científica em áreas pertinentes a
proposta: domínio da tecnologia UHV, uso intensivo e de uma ampla gama de
técnicas de caracterização de materiais e diversas técnicas de deposição de
filmes e nanoestruturas. O conjunto de equipes colaboradoras possui
experiência
em propriedades
magnéticas
de
materiais
magnéticos
e
supercondutores, propriedades óticas de materiais semicondutores. As três
linhas de pesquisa a serem desenvolvidas dentro dessa proposta inserem-se
em áreas estratégicas de desenvolvimento do país. Os temas científicos
abordados nos projetos de pesquisa a serem desenvolvidos possuem inegável
impacto e relevância científica com repercussões imediatas para a área de
pesquisa e desenvolvimento, lembrando ainda que a execução da proposta
necessita recursos financeiros de valor irrisório frente ao valor do equipamento
a ser construído e seus benefícios técnicos e científicos.
30
Referências:
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4
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E. M. Chunovsky, J. R. Friedman, Phys. Rev. Lett. 85, 5206 (2000)
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Dietl et al, Science 287, 1019 (2000)
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J. C. Egues, Science 309, 565 (2005)
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V. Cerletti et al, Nanotechnology 16, R27 (2005)
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21
H. Béa, M. Gajek, M. Bibes and A. Barthélémy, J. Phys.: Condens. Matter 20,
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22
T. Kimura, T. Sekio, H. Nakamura, T. Siegrist e A. P. Ramirez, Nature
Materials 7, 291 (2008)
23
W. Eerestein, N. D. Mathur and J. F. Scott, Nature 442, 759 (2006)
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C.-W. Nan, M. I. Bichurin, S. Dong, D. Viehland, G. Srinivasan, J. Appl. Phys.
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25
W. Eerestein, M. Wiora, J. L. Prieto, J. F. Scott and N. Mathur, Nature
Materials 6, 348 (2007)
26
Y. G. Ma, W. N. Cheng, M. Ning, C. K. Ong, Appl. Phys. Lett. 90, 152911
(2007)
27
M. P. Singh, W. Prellier, L. Mechin, Ch. Simon, B. Raveau, Thin Solid Films
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28
M. Haruta et al, Physica C 412, 511 (2004);
29
L. Shlyk et al, Appl. Phys. Lett. 86, 092503 (2005);
30
L. Civale, Physica C 412, 976 (2004);
31
J. Y. Coulter et al, Physica C 412, 1079 (2004);
32
S. Khatua et al, Journ. Appl. Phys 96, 7403 (2004);
33
T. Kyoso et al, Physica C 412, 506 (2004)
34
ver site: http://www.fys.uio.no/super/
35
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36
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Prof. Dr. Alex Boiarski Cezar
Paranaguá, 3 de julho de 2011
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