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Beta-tungsteno

La celda unitaria del beta-tungsteno.

El beta-tungsteno ( β-W ) es una fase metaestable del tungsteno ampliamente observada en películas delgadas de tungsteno . Mientras que el alfa-tungsteno estable (α-W) comúnmente existente tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo ( A2 ), β-W adopta la estructura A15 topológicamente compacta que contiene ocho átomos por celda unitaria, [1] [2] y se transforma irreversiblemente a la fase α estable mediante recocido térmico de hasta 650 °C. [3] Se ha descubierto que β-W posee el efecto Hall de espín gigante , en el que la corriente de carga aplicada genera una corriente de espín transversal , y esto conduce a aplicaciones potenciales en dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnetorresistivos . [4]

Historia

β-W fue observado por primera vez por Hartmann et al. en 1931 como parte del depósito metálico dendrítico formado en el cátodo después de la electrólisis del fosfato fundido por debajo de 650°C. [5] [6] En las etapas iniciales de la investigación sobre β-W, se encontró comúnmente que el oxígeno promueve la formación de la estructura β-W, por lo que se debate si la estructura β-W es una fase de tungsteno de un solo elemento o un subóxido de tungsteno existía desde hace mucho tiempo, [6] [7] pero desde la década de 1950 ha habido muchas pruebas experimentales que demuestran que el oxígeno en películas delgadas β-W está en un estado de valencia cero, [8] [9] [10] y, por tanto, la estructura es un verdadero alótropo de tungsteno.

Si bien el interés inicial en las películas delgadas de β-W fue impulsado por sus propiedades superconductoras a bajas temperaturas, [11] el descubrimiento del efecto Hall de espín gigante en películas delgadas de β-W por Burhman et al. en 2012 ha generado un nuevo interés en el material para posibles aplicaciones en memorias de acceso aleatorio magnéticas espintrónicas y dispositivos de lógica de espín. [4]

Estructura

β-W tiene una estructura cúbica A15 con grupo espacial , que pertenece a la familia de fases de Frank-Kasper . Cada celda unitaria contiene ocho átomos de tungsteno. La estructura puede verse como una red cúbica con un átomo en cada esquina, un átomo en el centro y dos átomos en cada cara. Hay dos sitios de tungsteno no equivalentes correspondientes a las posiciones de Wyckoff y , respectivamente. En el primer sitio, la posición Wyckoff , cada átomo de tungsteno está unido a doce átomos de W equivalentes para formar una mezcla de cuboctaedratungsteno WW 12 que comparte bordes y caras . En el segundo sitio, con la posición de Wyckoff , cada átomo de tungsteno está unido a catorce átomos de tungsteno vecinos, y hay una extensión de longitudes de enlace W-W que van desde 2,54 a 3,12 Å. [12] El parámetro de red medido experimentalmente de β-W es 5,036 Å, [6] mientras que el valor calculado de DFT es 5,09 Å. [12]

Propiedades

Se han establecido dos propiedades clave del β-W: la alta resistividad eléctrica y el efecto Hall de espín gigante.

Aunque el valor exacto depende de las condiciones de preparación, β-W tiene una resistividad eléctrica de al menos cinco a diez veces mayor que la de α-W (5,3 μΩ.cm), [1] [13] [14] [15] y esta alta conductividad permanecerá casi sin cambios en un rango de temperatura de 5 a 380 K, [16] lo que convierte a β-W en una resistencia potencial de película delgada , mientras que α-W es un conductor de película delgada.

Las películas delgadas de β-W muestran un efecto Hall de espín gigante con un ángulo de espín Hall de 0,30 ± 0,02 y una longitud de difusión de espín de alrededor de 3,5 nm. Por el contrario, α-W exhibe un ángulo Hall de espín mucho más pequeño, inferior a 0,07, y una longitud de difusión de espín comparable. [4] En el efecto Hall de espín, la aplicación de una corriente eléctrica longitudinal a través de un material no magnético genera una corriente de espín transversal debido a la interacción espín-órbita , y el ángulo de Hall de espín se define como la relación entre la densidad de corriente de espín transversal y la densidad de corriente eléctrica longitudinal. El ángulo de giro Hall de β-W es lo suficientemente grande como para generar pares de giro capaces de invertir o poner la magnetización de capas magnéticas adyacentes en precesión mediante el efecto Hall de giro. [2]

Preparación

Si bien ha habido algunos informes sobre la preparación de β-W con métodos químicos como la reacción de reducción de hidrógeno, [6] [17] casi todos los β-W reportados en los últimos treinta años se preparan mediante deposición por pulverización , un proceso átomo por átomo. Técnica de deposición física de vapor (PVD). [1] [4] [10] [18] [19] En la deposición por pulverización catódica, un objetivo de tungsteno se bombardea con moléculas de gas ionizado (generalmente Ar), lo que hace que los átomos de tungsteno sean "pulverizados" hacia el plasma. Estos átomos vaporizados luego se depositan cuando se condensan como una película delgada sobre el sustrato a recubrir. La formación de β-W mediante deposición por pulverización catódica depende de la presión base, la presión de Ar, la temperatura del sustrato, el gas de impureza, la tasa de deposición, el espesor de la película, el tipo de sustrato, etc. [ 8] [18] [20] [21] [22] Se ha observado ampliamente que el flujo de gas oxígeno o nitrógeno puede ayudar y es necesario para la formación de β-W, [1] [8] [10] [15] [20] pero recientemente también ha habido informes sobre la preparación de β- W sin introducir ningún gas de impureza durante la deposición. [18] [23] [24]

Referencias

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  2. ^ ab Costa, M; Costa, AT; Hu, J; Wu, RQ; Muñiz, RB (3 de julio de 2018). "β-tungsteno: un metal prometedor para la espintrónica". Revista de Física: Materia Condensada . 30 (30): 305802. doi : 10.1088/1361-648x/aacc08. ISSN  0953-8984.
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