Caracterización y medición de las propiedades magnéticas, termodinámicas, elásticas y de transporte de nuevos materiales magnéticos, tanto en sistemas masivos como en sistemas nanoestructurados (nanopartículas, nanohilos, nanotubos, películas delgadas, multicapas y superredes).

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• Actividades que se realizan
• Equipamiento

Actividades que se realizan

Investigaciones en Ciencia Básica

• Estudio del magnetismo de películas delgadas:

  • Se estudian las propiedades magnéticas y de transporte de aleaciones de metales de transición. En aleaciones basadas en Ni y Co, se estudia el efecto Hall de Espín en bicapas y multicapas.
  • Se investigan los efectos magnetoeléctricos en heteroestructuras multiferróicas, tanto en películas metálicas como en óxidos.
  • Se desarrollaron heteroestructuras ferroeléctrico/ferromagnéticas como potenciales llaves para corriente de espín.
  • Se estudian propiedades magneto-ópticas de películas delgadas en vista al desarrollo de sensores de posición por efecto Kerr.
  • Mediante microscopía magneto-óptica se estudia la dinámica del movimiento de paredes de dominios magnéticos en multicapas de Pt/[Co/Ni]n/Ta,Al y en películas de Gd FeCo y Pt/Co/Pt, en particular en el régimen de “creep”. El comportamiento universal subyacente en este tipo de sistemas nos permite obtener información muy valiosa sobre los mecanismos involucrados en el proceso de magnetización de las películas delgadas.

• Nanopartículas Magnéticas

  • Esta línea incluye la síntesis, el control morfológico y el estudio del orden magnético e interacciones en nanopartículas de ferritas y sistemas bi-magnéticos core-shell. Además, se estudian, tanto desde el punto de vista teórico como experimental e incluyendo estudios in vitro, las pérdidas magnéticas de nanopartículas en presencia de un campo alterno para hipertermia de fluido magnético. En esta línea, se diseñan, funcionalizan y se determina la toxicidad parcial de nanopartículas de ferrita para posibles aplicaciones biomédicas; por último, se investiga la capacidad de absorción de microondas en bajos campos de estas nanopartículas.

• Óxidos

  • Se estudian las propiedades multiferróicas de estos tipos de sistemas; para la escala Nano, se estudian los efectos de interfaz vislumbrado potenciales futuros desarrollos en sensores de gases, campos y líquidos volátiles.

Investigaciones Aplicadas

• El desarrollo y bio-funcionalización de nanopartículas para bio-medicina, basado en nanopartículas funcionalizadas con biomoléculas específicas (proteínas, anticuerpos, etc.), con uso específico para sistemas de detección de enfermedades en dispositivos del tipo lab-on-chip.
• Desarrollo de materiales para detectores de radiación ionizante y sensores de radiación de campo mixto: se desarrollan materiales micro- y nanométricos, uni- o bi-funcionales, para su uso como sensor por medio de la formación de defectos que pueden ser analizados con EPR para su identificación y cuantificación. Los materiales están basados en L-Alanina, Hidroxiapatita y Formiato de Litio, tanto como partículas únicas o con partículas magnéticas embebidas en una matriz de microcristales de algunos de estos compuestos.

Equipamiento

Magnetometría AC & DC:

• Magnetómetro de muestra vibrante (VSM)

  • Magnétometro comercial de la empresa Lakeshore modelo 7300 que sensa el momento magnético de la muestra con métodos inductivos.
  • Cuenta con un electroimán con yugo de 7 pulgadas y piezas polares de 4 y 2 pulgadas que permiten campos magnéticos máximos de ±1 o ±2 Teslas, respectivamente. En la configuración de 4 pulgadas puede adosarse un crióstato de He o bien un horno que permiten cubrir un rango de medición de 4.2 K a 1000 K.
  • La sensibilidad del equipo es de aproximadamente 10 microemu (10-8 A.m2).
  • Cuenta con un rotador automatizado para la medición de magnetización en distintas orientaciones de la muestra con respecto al campo externo.
  • También tiene rutinas para realizar mediciones de remanencia (DCD-IRM) y experimentos de relajación temporal.

• Balanza de Faraday

  • Este magnetómetro ha sido desarrollado y construido localmente.
  • Se basa en el desbalance que se produce en una microbalanza debido a la fuerza que sienten los materiales magnéticos cuando se les aplica un gradiente de campo magnético controlado.
  • Cuenta con un electroimán Bruker de 10 pulgadas que permite campos magnéticos máximos de ±1.25 Tesla. La microbalanza es de la firma Cahn modelo 1000.
  • Tiene adosado un horno de flujo de aire caliente que permite cubrir un rango de medición desde temperatura ambiente a más de 1100 K.
  • La sensibilidad del equipo es de aproximadamente 50 microemu (5x10-8A.m2).
  • Es posible trabajar en atmósferas de distintos gases (inertes, oxidantes, reductores), lo que permite estudiar la evolución de las propiedades magnéticas junto con los cambios composicionales.

• Trazador de ciclos (Loop Tracer)

  • Este magnetómetro de campo alterno ha sido desarrollado y construido localmente.
  • Se utiliza para la adquisición de ciclos de histéresis (AC hysteresis loop tracer) de muestras magnéticas con reducida magnetización.
  • El corazón de este equipo es un generador de campo magnético alterno de frecuencia de operación fija en 90 kHz y un campo máximo de 200 Oe de valor pico. La detección se basa en un sistema inductivo de bobinas en oposición y permite una sensibilidad de 10-4 emu.
  • El equipo puede ser adaptado también para el estudio calorimétrico de muestras magnéticas en suspensiones líquidas.

• Magnetómetro de efecto Kerr

  • Permite medir la rotación del eje de polarización de la luz para visualizar cambios en la magnetización. Es una técnica superficial (10-20 nm) y relativamente rápida comparada con otras magnetometrías.
  • Cuenta con un electroimán con piezas polares de 2 pulgadas que, al momento permiten campos magnéticos máximos de ±2000 Oe.
  • Este magnetómetro ha sido recientemente construido y aun se encuentra en etapa de desarrollo.Esperamos en total operación, contar con facilidades para realizar variaciones angulares, mediciones en función de temperatura y campos magnéticos hasta 1.5 T.

• Microscopio de efecto Kerr Polar (PMOKE)

  • Permite visualizar la estructura de dominios magnéticos en películas delgadas donde la magnetización se encuentra fuera del plano.
  • Permite estimular el sistema con campo magnético o corriente eléctrica y observar su respuesta. Al igual que el magnetómetro Kerr, el principio de funcionamiento del microscopio está basado en el efecto Kerr Magneto Óptico. Este efecto produce un cambio en la polarización de un haz de luz al reflejarse en una superficie magnetizada.
  • Gracias a la característica modular de este microscopio es posible adaptarlo a distintas condiciones de trabajo. Por más que en la actualidad se encuentra montado sobre un banco óptico en la condición Polar para trabajar a temperatura ambiente, se podría cambiar a una configuración longitudinal, con campo y/o corriente a temperatura ambiente o baja temperatura.

• Microscopio de Fuerza Atómica (AFM), Fuerza Magnética (MFM) y Conductancia (CAFM)

  • Microscopio de Barrido de Sonda Veeco (actualmente Bruker) modelo Dimension 3100 con electrónica Nanoscope IV. Es capaz de operar en los modos Fuerza Atómica, Fuerza Magnética y Conductancia.
  • Opera en aire y tiene una amplia zona de trabajo que permite medir muestras de varios cm de lado, o bien añadir instrumental adicional cercano a la zona de la muestra.
  • Para la obtención de imágenes topográficas puede usarse tanto en modo contacto como en contacto intermitente (tapping).
  • Pueden obtenerse imágenes en zonas de hasta 100 x 100 mm2. Dispone de una cámara de video que permite recorrer la muestra hasta encontrar la zona que se desea estudiar.
  • Posee una resolución lateral de aproximadamente 20 nm (depende del tipo de punta que se utilice) y en altura puede medir escalones de menos de 1 nm.

Espectroscopia de Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR)

• Espectrómetro Bruker modelo ESP 300.

  • Puede operar en cuatro frecuencias diferentes: 1.2, 9.4, 24 y 35 GHz.
  • Cuenta con un electroimán que permite variar el campo magnético entre 0 y 2.1 T.
  • Es posible realizar medidas en función de temperatura desde 4 a 1000 K, dependiendo de la frecuencia.
  • Pueden medirse muestras sólidas, polvos, películas delgadas, líquidos, etc.
  • Tiene un límite de detección de aproximadamente 1013 espines/Oe.

• Espectrómetro de Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR), Bruker ELEXSYS II-E500.

  • Operar solo a 9.4 GHz.
  • Cuenta con un electroimán bipolar que permite variar el campo magnético entre +/- 1.7 T.
  • Es posible realizar medidas en función de temperatura desde 4 a 1000 K.
  • Pueden medirse muestras sólidas, polvos, películas delgadas, líquidos, etc.
  • Permite detectar concentraciones inferiores a los picomoles (10-9 moles) de especies magnéticas.

• Magnetotransporte con campo rotante

  • Este equipo permite realizar mediciones de resistencia eléctrica de muestras conductoras en función de la temperatura, campo magnético y ángulo del campo respecto de la muestra.
  • Cuenta con un crióstato Janis SVT300 con ventanta óptica que permite regular la temperatura entre 4 K y 300 K, y un electroimán que alcanza campos de ±1,2 T.
  • Este equipo es particularmente útil si se desea tener un control fino del campo magnético a campos bajos.
  • El electroimán está montado sobre una plataforma giratoria que rota manualmente con precisión de 1º.
  • La medición de transporte eléctrico se realiza con una fuente de corriente de precisión Keithley 6220 y un multímetro HP34401A.

• Magnetotransporte con alto campo

  • Permite realizar mediciones de resistencia eléctrica de muestras conductoras en función de la temperatura y campo magnético.
  • Cuenta con un crióstato Janis con un imán superconductor, que permite regular la temperatura entre 4 K y 300 K y alcanzar campos de ±9 T.
  • La medición de transporte eléctrico se realiza con una fuente de corriente Keithley 220 y un nanovoltímetro HP 34420A.
  • Para mediciones de capacidad, se utiliza un puente de capacitancia de ultra precisión Andeen Hagerling 2500A 1kHz.

• Efecto Seebeck, altas y bajas resistencias eléctricas y capacitancia

  • Equipo multipropósito que cuenta con un crióstato y un horno, capaz de realizar experimentos a temperaturas entre 4 K y 500 K.
  • Está equipado con dos lanzas portamuestras preparadas para sistemas conductores o de alta resistencia (hasta 1011 Ω).
    Para medir efecto Seebeck, cuenta con dos controladores de temperatura LakeShore 330 y un nanovoltímetro HP 34420A.
  • Para mediciones de resistividad eléctrica se realizan con una fuente “home made” (0.1mA-100mA) y el mismo nanovoltímetro.
  • Para mediciones de capacidad en función de temperatura, se utiliza un puente de capacitancia de ultra precisión Andeen Hagerling 2500A 1kHz.
  • La combinación de medidas de efecto Seebeck y resistividad eléctrica, pueden ser útiles para describir los mecanismos de transporte eléctrico, detección de polarones, influencia del desorden químico, etc.

• Alta resistencia eléctrica y corrientes piroeléctricas

  • Cuenta con un crióstato que permiten realizar experimentos a temperaturas entre 4 K y 300 K.
  • Está equipado con una lanza portamuestra preparada para sistemas de alta resistencia (hasta 1011 Ω).
  • Para las mediciones de alta resistividad eléctrica se realizan con una fuente de corriente Keithley 6221 y un electrómetro Keithley 6517A.
  • Para mediciones de corriente piroeléctrica, se utiliza el mismo electrómetro. Determinación de fases ferroeléctricas.

• Impedancia

  • Cuenta con un analizador de impedancias (Agilent 4294A), un crióstato y un horno, que permiten caracterizar la impedancia de una muestra macroscópica en función de la temperatura ( entre 100 K y 1000 K ) y la frecuencia ( entre 40 Hz y 110 MHz). Además de realizar excursiones en frecuencia, se pueden hacer en "amplitud de la excitación" (entre 5 mVrms y 1 Vrms) y "tensión/corriente de bias" (de 0 a 40V y 0 a 100 mA).
  • Para medir a baja temperatura (100 K - 320 K), cuenta con un controlador de temperatura LakeShore DRC-91CA y un cabezal criogénico que se introduce en un termo que se llena con nitrógeno líquido.
  • En el rango de las altas temperaturas (300 K - 1000 K) se introduce la muestra en una mufla que posee un controlador Delta DTB4848 y la medición de temperatura sobre la muestra se realiza con una termocupla tipo R/S y un medidor modelo Omega CN3201.

• Nanomanipulador

  • Consta de una platina que opera dentro de la cámara de trabajo de un microscopio SEM con 4 pequeños brazos robóticos (basado en picomotores y actuadores) comandados alternativamente con un joystick.
  • Se pueden acercar 4 puntas de prueba de tungsteno al objeto y moverlas con una precisión de 5 nm.
  • El microscopio electrónico de barrido permite obtener la imagen del objeto y del trabajo realizado con las puntas simultáneamente y en tiempo real. A través de conectores pasantes se conecta un dispositivo de caracterización eléctrica Keithley SCS 4200 con resolución en el rango de fA y nV a 100mA, lo que permite medir resistencias hasta del orden de TW y tomar curvas I-V.
  • Las puntas de tungsteno (de alrededor de 50nm en su extremo) permiten tocar y medir las propiedades eléctricas de la nanoestructura: nanotubo, esfera, barra, etc. Previamente a las puntas se le realiza un tratamiento para evitar la formación de una capa de óxido en su superficie y que éstas no adicionen una resistencia espuria de contacto. Se puede variar la temperatura de la muestra en el rango -500C a 1500C.
  • Este equipo permite el estudio puntual de la contribución a la resistencia eléctrica de los bordes de granos, de nanoestructuras y de interfaces electrodo/material estudiar la existencia de barreras físicas (tipo Schottky o túnel) que originan fenómenos no lineales en la conducción eléctrica.

• Hipertermia de Fluido Magnético

  • Aplicador de campo AC con potenica de 680 W y con rango de frecuencia de trabajo entre 213 kHz y 570 kHz, marca nB y modelo F1D5; sistema de medida de temperatura con fibra óptica.

• Spin Coater

  • Es un equipo de recubrimiento por centrifugación modelo WS650Mz de la empresa LAURELL. Tiene la posibilidad de depositar películas en sustratos desde 3mm hasta 150 mm. La velocidad variable, hasta 12000 RPM permite ajustar el espesor deseado del recubrimiento.

• Síntesis y Tratamientos térmicos de Nanoestructuras

  • Salas de Química están equipadas con campanas de flujo laminar, gases ultra puros (Ar, O2, N2, 5% H2/N2), agua deionizada y vidriería diversa.
  • Para síntesis de nanoestructuras existe equipamiento como Caja de Guantes Braun para trabajar en atmósfera de ppm de O2 y ppm H2O, ultrasonidos de distintas potencias, bombas digestoras para realizar procesos hidrotermales (hasta 0.1MPa, 70 ml y 250 ml), mantas térmicas con control digital, balanzas con diferentes precisiones (hasta 0.01 mg), refrigeradores (hasta -27 °C), centrifugas (hasta 14000 rpm), estufa para secado y esterilización (hasta 300 °C), un potenciostato con electrodo de Ag/AgCl.
  • Un equipo de spray-pirólisis con boquilla de ultrasonido, bombas peristálticas y horno con flujo de gases hasta 1000ºC.
  • Posee diferentes hornos convencionales que pueden alcanzar temperaturas de hasta 1100ºC y hornos de altas temperaturas tubulares y tipo mufla que pueden llegar hasta 1500ºC. Todos los tubulares pueden trabajar en atmósfera de aire o bajo un flujo continuo de gases (Ar, O2, N2, 5% H2/N2).