El campo de la spintrónica ha experimentado un notable crecimiento en los últimos años, integrando las propiedades de carga y espín de los electrones para desarrollar dispositivos electrónicos más eficientes y funcionales. Este avance se traduce en aplicaciones que van más allá de las tecnologías actuales, como los cabezales de lectura de discos duros y la memoria aleatoria magnética (MRAM). Un nuevo enfoque en la investigación se centra en la spintrónica flexible, que promete revolucionar el uso de dispositivos en wearables y sensores de tipo lámina.
Para que estos dispositivos sean efectivos, es crucial detectar pequeñas variaciones en el estrés mecánico mediante la modulación de la resistencia eléctrica. Esto requiere materiales que no solo exhiban efectos de magnetoresistencia significativos, sino que también ofrezcan un control preciso sobre sus propiedades magnetoelásticas.
Investigación sobre el Fe4N y sus variantes
Un equipo de investigación ha llevado a cabo un estudio sistemático sobre las propiedades magnetoelásticas del Fe4N y sus variantes sustituidas, Fe4-xMnxN y Fe4-yCoyN. Estos materiales, compuestos de elementos ampliamente disponibles, están siendo evaluados por su potencial en la spintrónica flexible. Los hallazgos de esta investigación han sido publicados en la revista Communications Materials.
Se fabricaron películas de nitruro de alta calidad sobre sustratos de titanato de estroncio (001), y las mediciones de la deformación magnética en la dirección [100] revelaron una magnetostricción negativa de -121 ppm en Fe4N. Este valor se encuentra en la misma orden que las aleaciones de Fe-Ga, conocidas por sus propiedades magnetostricción. Además, al variar el contenido de cobalto en Fe4-yCoyN, el equipo observó una magnetostricción positiva de +46 ppm en Fe2.3Co1.7N, lo que indica que la propiedad magnetoelástica puede ser modulada efectivamente mediante sustituciones elementales.
Para comprender el mecanismo detrás de esta capacidad de ajuste, los investigadores analizaron la relación entre las propiedades magnetoelásticas y otras características magnéticas, como la magnetización de saturación, la anistropía magnética y el amortiguamiento magnético. El estudio encontró una fuerte correlación entre el amortiguamiento magnético y el comportamiento magnetoelástico. Comparaciones adicionales con cálculos de primeros principios sugieren que la densidad de estados en el nivel de Fermi para los electrones d juega un papel clave en la determinación de ambas propiedades.
Este hallazgo ofrece una vía para el refinamiento adicional de las propiedades magnetoelásticas, lo que podría conducir a un mejor rendimiento de los materiales en aplicaciones de spintrónica flexible. Según Keita Ito, profesor asistente en el Instituto de Investigación de Materiales (IMR) de la Universidad de Tohoku, “al demostrar que los materiales de nitruro de hierro exhiben propiedades tanto spintrónicas como magnetoelásticas, proporcionamos una nueva perspectiva sobre la selección de materiales para dispositivos de spintrónica flexible”.
El equipo de investigación tiene planes para fabricar dispositivos de magnetoresistencia utilizando películas de nitruro ferromagnético sobre sustratos flexibles, lo que les permitirá probar la efectividad de estos materiales en la detección de estrés mecánico con alta sensibilidad. Dado que los materiales basados en nitruro de hierro están compuestos por elementos con un impacto ambiental mínimo y no están sujetos a escasez de recursos, ofrecen una dirección prometedora para el desarrollo de tecnologías de sensores flexibles de bajo costo y gran área.
