Tungsteno beta

El tungsteno beta ( β-W ) es una fase metaestable del tungsteno ampliamente observada en películas delgadas de tungsteno . Mientras que el tungsteno alfa (α-W), comúnmente estable, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo ( A2 ), el β-W adopta la estructura topológicamente compacta A15 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 el β-W posee el efecto Hall de espín gigante , en el que la corriente de carga aplicada genera una corriente de espín transversal , lo que da lugar a posibles aplicaciones en dispositivos de memoria de acceso aleatorio magnetoresistivos . ^{[ 4 ]}

El 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 de fundidos de fosfato por debajo de 650 °C. ^{[ 5 ] [ 6 ]} En las primeras etapas de la investigación sobre el β-W, se encontró comúnmente que el oxígeno promovía la formación de la estructura β-W, por lo que las discusiones sobre si la estructura β-W es una fase de tungsteno de un solo elemento o un subóxido de tungsteno fueron de larga data, ^{[ 6 ] [ 7 ]} pero desde la década de 1950 ha habido mucha evidencia experimental que muestra que el oxígeno en las películas delgadas de β-W está en un estado de valencia cero , ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} y por lo tanto la estructura es un verdadero alótropo del tungsteno.

Si bien el interés inicial en las películas delgadas de β-W se debió a 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 ]}

β-W tiene una estructura cúbica A15 con grupo espacial${\displaystyle Pm{\bar {3}}n}$, 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 vértice, un átomo en el centro y dos átomos en cada cara. Hay dos sitios de tungsteno no equivalentes que corresponden a posiciones de Wyckoff.${\displaystyle 2a}$y${\displaystyle 6c}$, respectivamente. En el primer sitio, posición de Wyckoff${\displaystyle 2a}$_{, cada átomo de tungsteno está unido a doce átomos de W equivalentes para formar una mezcla de WW 12} cuboctaedro de tungsteno que comparte aristas y caras . En el segundo sitio, con la posición de Wyckoff${\displaystyle 6c}$Cada átomo de tungsteno está unido a catorce átomos de tungsteno vecinos, y existe una distribución de longitudes de enlace W–W que va desde 2,54 hasta 3,12 Å. ^{[ 12 ]} El parámetro de red medido experimentalmente del β-W es de 5,036 Å, ^{[ 6 ]} mientras que el valor calculado mediante DFT es de 5,09 Å. ^{[ 12 ]}

Dos propiedades clave del β-W están bien establecidas: la alta resistividad eléctrica y el efecto Hall de espín gigante.

Aunque el valor exacto depende de las condiciones de preparación, el β-W tiene una resistividad eléctrica de al menos cinco a diez veces mayor que la del 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 al β-W en un potencial resistor de película delgada mientras que el 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 Hall de espín de 0,30 ± 0,02 y una longitud de difusión de espín de alrededor de 3,5  nm. En contraste, α-W exhibe un ángulo de Hall de espín mucho menor, 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 Hall de espín de β-W es lo suficientemente grande como para generar pares de espín capaces de invertir o establecer la magnetización de capas magnéticas adyacentes en precesión mediante el efecto Hall de espín. ^{[ 2 ]}

Aunque ha habido algunos informes sobre la preparación de β-W con métodos químicos como la reacción de reducción de hidrógeno, ^{[ 6 ] [ 17 ]} casi todo el β-W reportado en los últimos treinta años se prepara a través de la deposición por pulverización catódica , una técnica de deposición física de vapor (PVD) átomo por átomo . ^{[ 1 ] [ 4 ] [ 10 ] [ 18 ] [ 19 ]} En la deposición por pulverización catódica, un blanco de tungsteno es bombardeado con moléculas de gas ionizado (generalmente Ar), lo que hace que los átomos de tungsteno sean "pulverizados" en el plasma. Estos átomos vaporizados se depositan luego cuando se condensan como una película delgada sobre el sustrato que se va 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 velocidad 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 ]}