Esta tesis reporta el estudio de los efectos magneto-iónicos en micro y nanoestructuras controladas por electrolitos basadas en óxido de Ni-Co, como una estrategia relevante para examinar sus propiedades magnéticas mediante campos eléctricos. Este enfoque contribuye a minimizar el uso de corrientes eléctricas, en la búsqueda de nuevos dispositivos espintrónicos y memorias magnetoeléctricas energéticamente eficientes, que satisfagan las enormes demandas energéticas de la sociedad del siglo XXI. Introducida por primera vez en 2014, la magneto-iónica es un mecanismo potencial para la implementación de futuros dispositivos de memoria magnética, ya que permite el control no volátil del magnetismo de bajo consumo energético mediante el uso de voltaje para mover iones (como O2- o H+) dentro de un material. Además, la eliminación del Pt en las uniones túnel magnéticas es vital, ya que los metales del grupo del platino se consideran materias primas críticas. En este sentido, las multicapas magneto-iónicas de Co/Ni controladas por voltaje y sin Pt se perfilan como nichos de mercado clave para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos de bajo consumo, como las futuras MRAM. Hemos investigado dos tipos de sistemas de óxido de Ni-Co: uno con patrones en forma de discos densos de tamaño micrométrico, y el otro diseñado con una relación superficie-volumen (S/V) ultra alta, es decir, mesoporosidad. En ambos casos, el Ni-Co se electrodepositó primero y luego se sometió a recocido en aire para formar los óxidos correspondientes.
En primer lugar, investigamos microdiscos de óxido de Ni-Co con patrones litografiados, para comprender cómo las variaciones en la relación Co/Ni influyen en la magneto-iónica del oxígeno. Al adaptar la composición de Ni (25-50% at. Ni) en los discos, logramos una transición magnética de OFF-ON-OFF totalmente reversible, inducida por campos eléctricos. Las geometrías con patrones sirven como prueba de concepto para la miniaturización de dispositivos, al conservar comportamientos clave como la transición ferromagnética no volátil y la magneto-iónica dependiente de la composición. Los cálculos DFT Ab initio revelan que las diferencias en las barreras energéticas de migración de oxígeno (1.24 eV para CoO frente a 2.17 eV para NiO) explican los voltajes de conmutación dependientes de la composición. Esto destaca el papel crucial del contenido de Ni sobre la limitación en la movilidad del oxígeno.
En segundo lugar, exploramos cómo la mesoporosidad mejora el rendimiento magneto-iónico. Las películas de óxido de Ni-Co mesoporoso (55 % at. Ni), fabricadas mediante electrodeposición asistida por micelas, seguida de recocido en aire, presentan una respuesta magnética impulsada por voltaje significativamente mejorada, en contrapartida a capas densas comparables. La estructura porosa aumenta la superficie accesible y proporciona canales interconectados para la migración de iones, lo que reduce las barreras de difusión y permite una reacción redox más rápida y energéticamente eficiente.
Por otro lado, esta tesis también explora la posibilidad de desarrollar arquitecturas multicapa para propiedades magnéticas ajustables por campo eléctrico. Las estructuras metálicas de [Co/Ni] en forma de multicapa, diseñadas para el acoplamiento magnético entre capas controlado por voltaje, demuestran transiciones reversibles a temperatura ambiente entre estados antiferromagnéticos y ferromagnéticos bajo la activación con electrolito líquido. La modulación del acoplamiento de intercambio RKKY, impulsada por voltaje, surge de la migración controlada de oxígeno. Esto permite la transición de estados magnéticos posterior a la síntesis, y revela comportamientos de transición adicionales relevantes para los dispositivos espintrónicos.
En conjunto, estos tres estudios, centrados en el sistema Ni-Co, proporcionan una comprensión integral de cómo la geometría, la composición y la arquitectura del material pueden ajustarse a voluntad para adaptar las respuestas magneto-iónicas, para futuros dispositivos magnéticos energéticamente eficientes y reconfigurables.
Oxygen magneto-ionic effects in NiCo-based structures
Arredondo López, A. (Autor/a). 27 nov 2025
Tesis doctoral