Estudio de las estructuras, propiedades y mecanismos presentes en la aleación FeRh, material magnético de interés en tecnologías de la información

Abstract

El objetivo de esta tesis es estudiar en forma teórica las propiedades estructurales, energéticas, termodinámicas y magnéticas de la aleación FeRh utilizando cálculos de primeros principios, debido a su notable transición de fase de primer orden desde el estado antiferromagnético (AFM) al ferromagnético (FM) a temperatura cercana a la del ambiente. Para ello se analizó el caso del FeRh bulk extendiendo el estudio a las superficies aisladas en las direcciones cristalográficas [001], [110] y [111] y luego a los films soportados en epitaxis sobre el óxido MgO(001). Los resultados estructurales y magnéticos indican que la transición metamagnética es acompañada por un aumento del 2.4% en el volumen de la celda, de un 9.6% en el momento magnético de espín del Fe y lo más importante, de la aparición del momento magnético del Rh. A pesar de lo originalmente publicado en la literatura, la fase AFM muestra una distorsión de celda cúbica a tetragonal y a ortorrómbica, resolviendo las inestabilidades observadas en las curvas de las estructuras de bandas de fonones de la estructura cúbica correspondiente. La estabilidad de la configuración AFM ortorrómbica se corroboró con simulaciones de dinámica molecular. A partir de los espectros fonónicos se obtuvieron las propiedades térmicas del sistema. Los estudios se complementan con el análisis de las propiedades termoeléctricas de la aleación. Para los films ultradelgados la estabilidad relativa de los crecidos en las direcciones [001] y [110] es similar. Por el contrario, los films generados en la dirección [111] presentan valores menos favorables en términos energéticos. En particular, para los films FeRh(001), el análisis de energía de anisotropía magnetocristalina indica que la magnetización perpendicular al plano resulta ser la más favorable, salvo para la terminación de films en Rh, configuración AFM, donde se observa una proyección de la magnetización en el plano. En el caso de los films soportados, resultan más favorables las terminaciones en Fe con menores energías de adhesión. En función de todo lo analizado se puede concluir que los films terminados en Rh presentan en la mayoría de los casos comportamientos inestables y hasta impredecibles dependiendo de la cantidad de capas de Rh que conforman el film.

The objective of this thesis is to perform a theoretical study of the structural, energetic, thermodynamic and magnetic properties of the FeRh alloy using first principle calculations, due to its remarkable first-order phase transition from the antiferromagnetic state (AFM) to the ferromagnetic (FM) at a temperature close to that of the environment. It is for this reason that the case of FeRh bulk was analyzed, extending the study to the isolated surfaces in the crystallographic directions [001], [110] and [111] and then to the films supported in epitaxis on MgO(001) oxide. The structural and magnetic results indicate that the metamagnetic transition is accompanied by a 2.4% increase in cell volume, a 9.6% in the magnetic spin moment of Fe atom and, most importantly, the appearance of the Rh magnetic moment. Despite what was originally published in the literature, the AFM phase shows a distortion of cubic cell to tetragonal and orthorhombic, resolving the instabilities observed in the phonon band structures of the corresponding cubic structure. The stability of the orthorhombic AFM configuration was corroborated with molecular dynamics simulations. The thermal properties of the system were obtained from the phonon spectra. The studies are complemented by the analysis of the thermoelectric properties of the alloy. For ultra-thin films, the relative stability of the films grown in [001] and [110] directions are similar. On the contrary, films generated in the [111] direction present less favorable energy values. In particular, for FeRh(001) films, the magnetocrystalline anisotropy energy analysis indicates that the magnetization perpendicular to the plane x is found to be the most favorable, except for films -Rh terminated, AFM configuration, where a projection of the magnetization is observed in the plane. In the case of supported films, those -Fe terminated with lower adhesion energies are more favorable. Based on everything analyzed, it can be concluded that –Rh terminated films present in most cases unstable and even unpredictable behaviors depending on the number of Rh layers that make up the film.