Generation of ferromagnetism on non-magnetic materials

Abstract

En els darrers anys, el desenvolupament de nous mètodes per a la fabricació de xarxes ordenades de nanoestructures magnètiques (litografia magnètica) ha esdevingut un camp de recerca de gran interès. Això es deu tant per l'ampli ventall d'aplicacions tecnològiques que se'n deriven de les estructures magnètiques de grandària submicromètrica (biomedicina, gravació magnètica, ...), com per raons de caire més fonamental, ja que sovint el comportament magnètic d'aquests materials a escala nanomètrica és diferent del corresponent als materials massissos. <br/>Els aliatges de Fe60Al40 (percentatge atòmic) i els acers inoxidables austenítics posseeixen una combinació de propietats estructurals i magnètiques que els converteix en materials amb cert potencial per a ser litografiats magnèticament. Des d'un punt de vista magnètic, mentre que els aliatges de Fe60Al40 ordenats atòmicament són paramagnètics a temperatura ambient, els aliatges de Fe60Al40 desordenats a nivell atòmic presenten un comportament ferromagnètic. Pel que fa als acers inoxidables austenítics, a partir de deformació mecànica, es pot induir la transformació en estat sòlid de la fase austenita (paramagnètica) a la fase martensita (ferromagnètica) en aquests aliatges ferris. A més, els processos de nitruració a temperatura moderada en acers inoxidables austenítics permeten transformar parcialment la fase austenita en la fase "austenita expandida", que és una solució sòlida sobresaturada de nitrogen que presenta un comportament ferromagnètic. <br/>Aquesta Tesi està basada en la generació de xarxes ordenades d'entitats ferromagnètiques a escala micro/nanomètrica, dins d'una matriu paramagnètica, en la superfície d'aliatges de Fe60Al40 i acers inoxidables austenítics. Aquest propòsit s'assoleix aprofitant les transicions magnètiques que tenen lloc en aquests materials després de sotmetre'ls a processos de deformació plàstica local (nanoindentació) i irradiació controlada amb ions (αs de feixos d'ions focalitzats i irradiació amb ions de gasos nobles a través de màscares en el cas del Fe60Al40 i processos de nitruració a través de màscares d'irradiació en els acers inoxidables austenítics). Cal esmentar que també s'ha dut a terme un estudi detallat de les modificacions a nivell estructural, mecànic i magnètic que ocorren en aquests materials una vegada s'han deformat mecànicament o irradiat amb ions.

In recent years, intense research is being pursued in the development of novel methods for the fabrication of arrays of ordered magnetic nanostructures. This is motivated, in part, by the technological applications of sub-micron magnetic structures, ranging from biomedicine to recording media, but it is also due to fundamental scientific reasons, since the behavior of magnetic materials at this length scale is often significantly different from that in the bulk. <br/>Fe60Al40 (at. %) alloys and austenitic stainless steels show an interesting combination of magnetic and structural properties, which makes them turn into potential candidates to be magnetically patterned. Namely, from the magnetic point of view, whereas atomically ordered Fe60Al40 (at. %) is paramagnetic at room temperature, disordered Fe60Al40 becomes ferromagnetic. Concerning austenitic stainless steels, due to mechanical deformation, a phase transformation from the paramagnetic austenite phase to the ferromagnetic martensite phase can occur in these ferrous alloys. In addition, nitriding of austenitic stainless steels at moderate temperatures is able to partially transform the austenite phase into the supersaturated nitrogen solid solution, often called in the literature "expanded austenite" phase, which shows ferromagnetic behavior. <br/>This Thesis is mainly focused on the generation of ordered arrays of micro/nanoscaled ferromagnetic entities (i.e., magnetic patterning), embedded in a paramagnetic matrix, at the surface of either Fe60Al40 (at. %) alloys or austenitic stainless steels. This is accomplished by taking advantage of the magnetic transitions which occur in these alloys upon local plastic deformation (nanoindentation) and controlled ion irradiation (focused ion beam and broad beam noble gas ion irradiation through shadow masks in FeAl alloys and ion beam nitriding through shadow masks in austenitic stainless steels). Furthermore, a detailed study of the structural, mechanical and magnetic changes which take place in these materials upon either mechanical deformation or ion irradiation is presented.