Introdução à interação de raios-X com a matéria e dicroísmo linear magnético: Aplicação a filmes finos antiferromagnéticos sob deformação

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Amorim, Gabriel Alcântara
Data de Publicação: 2024
Tipo de documento: Trabalho de conclusão de curso
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB
Texto Completo: https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/30367
Resumo: This work falls within the context of studying antiferromagnetic thin films subjected to structural deformations and the application of synchrotron light techniques to relate changes in the crystal structure (probed by X-ray diffraction) to the spin orientation of the films (probed by X-ray absorption, the focus of this work). A review is made of classical and quantum theories describing light absorption by matter in the X-ray energy range. Starting from Fermi’s golden rule, from first principles, it is possible to calculate the transition probability between electronic levels of a material as a function of the energy of the incident radiation, allowing an estimate of X-ray beam absorption as a function of its energy. Another point of emphasis is the dependence of light absorption on the sample orientation and the polarization of the incident beam, this property is called dichroism. In particular, X-ray Magnetic Linear Dichroism (XMLD) is the main probing tool for materials with antiferromagnetic ordering, as studied in this work. In XMLD analysis, the difference between X-ray absorption spectra obtained for different orientations between the (linear) polarization of the incident beam and the sample is performed. A Python data analysis tool was then developed to normalize, flattering, display the graphs, and obtain the XMLD signal. The program was compared with Athena software, a well-established tool in the X-ray absorption community, and presented consistent results. The sample consists of a thin antiferromagnetic cobalt oxide (CoO) film, prepared by reactive magnetron sputtering on a flexible cross-shaped substrate. Temperature changes and deformation are applied to the sample and analyzed by XMLD. Controlled deformations are applied by the bidimensional multi-analysis strain instrument (2D-MASI), being used for the first time at SIRIUS. Pre-straining of the substrate before deposition allows for the contraction of the CoO crystal structure. To go below the Neel temperature, which is around room temperature, a nitrogen flux (cryojet) was used. This deformation can alter the sample’s spin orientation (Neel vector) and consequently its absorption spectrum. Finally, a change in absorption measurements is observed after deformation.
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Another point of emphasis is the dependence of light absorption on the sample orientation and the polarization of the incident beam, this property is called dichroism. In particular, X-ray Magnetic Linear Dichroism (XMLD) is the main probing tool for materials with antiferromagnetic ordering, as studied in this work. In XMLD analysis, the difference between X-ray absorption spectra obtained for different orientations between the (linear) polarization of the incident beam and the sample is performed. A Python data analysis tool was then developed to normalize, flattering, display the graphs, and obtain the XMLD signal. The program was compared with Athena software, a well-established tool in the X-ray absorption community, and presented consistent results. The sample consists of a thin antiferromagnetic cobalt oxide (CoO) film, prepared by reactive magnetron sputtering on a flexible cross-shaped substrate. Temperature changes and deformation are applied to the sample and analyzed by XMLD. Controlled deformations are applied by the bidimensional multi-analysis strain instrument (2D-MASI), being used for the first time at SIRIUS. Pre-straining of the substrate before deposition allows for the contraction of the CoO crystal structure. To go below the Neel temperature, which is around room temperature, a nitrogen flux (cryojet) was used. This deformation can alter the sample’s spin orientation (Neel vector) and consequently its absorption spectrum. Finally, a change in absorption measurements is observed after deformation.Este trabalho se enquadra no contexto do estudo de filmes finos antiferromagnéticos submetidos a deformações estruturais e aplicação de técnicas de luz síncrotron para relacionar mudanças na estrutura cristalina (sondadas por difração de raios-X) com a orientação de spins dos filmes (sondada por absorção de raios-X, foco desse trabalho). É feita uma revisão sobre as teorias clássica e quântica que descrevem a absorção de luz pela matéria na faixa de energia de raios-X. Partindo da regra de ouro de Fermi, por primeiros princípios, é possível calcular a probabilidade de transição entre níveis eletrônicos de um material em função da energia da radiação incidente, permitindo obter uma estimativa para a absorção de um feixe de raios-X em função de sua energia. Outro ponto de ênfase é a dependência na absorção da luz devido à orientação da amostra e à polarização do feixe incidente, essa propriedade é denominada dicroísmo. Em particular, o dicroísmo linear magnético de raios-X (XMLD, do inglês X-ray Magnetic Linear Dicroism) é a principal ferramenta de prova para materiais com ordenamento antiferromagnético, como estudado nesse trabalho. Na análise de XMLD realiza-se a diferença entre espectros de absorção de raios-X obtidos para diferentes orientações entre a polarização (linear) do feixe incidente e da amostra. Uma ferramenta de análise de dados em Python, foi então desenvolvida com a finalidade de normalizar, nivelar, dispor os gráficos e obter o sinal de XMLD. O programa foi comparado com o software Athena, ferramenta bem estabelecida na comunidade de absorção de raios-X e apresentou os mesmos resultados. A amostra consiste em um filme fino antiferromagnético de óxido de cobalto (CoO), preparada por pulverização catódica magnetron reativa sobre um substrato flexível em forma de cruz. Mudanças de temperatura e deformação são feitas na amostra e analisadas pelo XMLD. Deformações controladas são aplicadas pelo instrumento de multi análise de deformação bidimensional (2D-MASI), sendo a primeira vez utilizado no SIRIUS. Um pré-esticamento do substrato antes da deposição permite a contração da estrutura cristalina do CoO. Para ir abaixo da temperatura de Néel, que fica em torno da temperatura ambiente, um soprador de nitrogênio (cryojet) foi utilizado. Essa deformação pode alterar a orientação de spins da amostra (vetor de Néel) e por consequência seu espectro de absorção. Por fim, é constatado uma mudança nas medidas de absorção após a deformação.Universidade Federal da ParaíbaBrasilFísicaUFPBSoares, Márcio MedeirosAmorim, Gabriel Alcântara2024-06-05T19:31:38Z2024-06-062024-06-05T19:31:38Z2024-04-26info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/30367porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2024-06-06T06:09:39Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/30367Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| bdtd@biblioteca.ufpb.bropendoar:2024-06-06T06:09:39Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false
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