Desarrollo y estudio de nanoestructuras multiferroicas : nuevos sistemas y técnicas para la electrónica de espín.

Main Author: Neñer, Lucas E.
Format: Tesis
Language: English
Published: 2016-12-13
Series: http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/593/
Subjects:
Online Access: http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/593/2/1Ne%C3%B1er.pdf
http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/593/3/Abstracts.pdf
building BALSEIRO
institution Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (CNEA)
id BALSEIRO--oai:ricabib.cab.cnea.gov.ar:593
author Neñer, Lucas E.
spellingShingle Neñer, Lucas E.
FÍSICA
NANOTECNOLOGÍA
FÍSICA DE MATERIALES
NANOSTRUCTURES
NONOESTRUCTURAS
THIN FILMS
CAPAS FINAS
[NANOTECHNOLOGY
NANOTECNOLOGÍA
MULTIFERROIC
MULTIFERROICA
MEMRISTOR]
Desarrollo y estudio de nanoestructuras multiferroicas : nuevos sistemas y técnicas para la electrónica de espín.
Se fabricaron junturas túnel y microdispositivos memristivos aprovechando interacciones magnetoeléctricas presentes en materiales con estructura tipo perovskita, crecidos en forma de película delgada. Estos materiales son de gran interés debido a que presentan una fuerte correlación entre sus propiedades magnéticas, mecánicas y eléctricas. También se realizó una caracterización básica completa de los materiales utilizados mediante múltiples técnicas, como microscopia de fuerza atómica piezoeléctrica, mediciones de transporte o difracción de rayos X, entre otras. Algunas de estas técnicas fueron desarrolladas durante la presente tesis. Entre las aplicaciones tecnológicas que pueden aprovechar las propiedades de estos materiales y las interacciones entre ellos se encuentran los memristores, junturas túnel, sensores de campo eléctrico y magnético, memorias ferroeléctricas, entre otros. En muchos casos las aplicaciones se basan en poder fabricar sistemas multiferroicos compuestos, o sea, multicapas en las que se combinan propiedades magnéticas de algunos materiales con eléctricas de otros aprovechando fenómenos de acoplamiento magnetoeléctrico. En una primera etapa se realizó una caracterización básica de las propiedades de films ferromagnéticos y ferroeléctricos. Durante esta etapa se implementó y optimizó la utilización de un microscopio de fuerza atómica (AFM) para la realización de mapeos de conductividad de ultra baja corriente (CAFM o TUNA) y de medición de respuesta piezo-eléctrica (PFM). Finalmente, en una segunda etapa del trabajo se buscaron interacciones, se fabricaron junturas túnel y se desarrollaron memristores multiferróicos compuestos, mediante un método nuevo desarrollado para la ocasión. Se estudió la respuesta ferroeléctrica de films de BaTiO_3 crecidos sobre un sustrato de SrTiO_3 dopado y se detectó ferroelectricidad. Luego se puso en marcha un nuevo método para caracterizar la ferroelectricidad localmente en una película delgada, la microscopia de fuerza atómica piezoeléctrica, mediante la cual se pudieron obtener curvas de históresis de la respuesta piezoeléctrica de los films para varios espesores, así como leer y escribir mapas de piezorrespuesta en las superficies. Esta respuesta esta últimamente relacionada con la remanencia de la ferroelectricidad en el material, al se sensible la deformación local a la polarización eléctrica. Luego se midió la constante dieléctrica del material en forma de film como función de temperatura en búsqueda de transiciones de fase. No se observo ninguna. En el material bulk si se observan con lo que es razonable pensar que las transiciones se bloquean con las tensiones con el sustrato. Para analizar se analizo el modo de crecimiento estructural del material, presentando un crecimiento epitaxial. Sobre films de La_0,8Ba_0,2MnO_3 se realizaron mediciones de resistividad, efecto Hall, magnetorresistencia y magnetización como función de campo magnético, temperatura y espesor. También se midio la respuesta ferromagnética a 5K. Se analizo el comportamiento del transporte electrico incluyendo la transición de fase metal-semiconductor del material como funcion del espesor, encontrando correlaciones entre los datos de resistividad, magnetorresistencia y topogracos. También se ajustaron algunos modelos fenomenologicos de conductividad en manganitas (modelo de doble intercambio y Anderson) sobre datos de resistividad obteniendo parámetros críticos del material. El análisis topográfico implica un crecimiento en terrazas de algunos µm de lado. Este tipo de crecimiento implica una falta de percolacion completa para films mas delgados que aproximadamente 10nm de espesor y una degradación de las propiedades eléctricas para films mas delgados. Se hicieron mediciones de respuesta ferroelectrica y ferromagnetica de un lm de 50nm de Bi_2FeTiO_6. Se detecto un comportamiento paraelectrico y paramagnetico, sin histeresis en ninguno de los dos casos. Se midió el parámetro de red de todos los materiales utilizados mediante difracción de rayos X. Mediciones de magnetización y resistividad sugieren que al depositar 4.5nm de Bi_2FeTiO_6 sobre 30nm de La_0,8Ba_0,2MnO_3 la temperatura de transición del LBMO aumenta 25K respecto al LBMO solo, posiblemente por tension estructural de la red a causa del BFTO. Se fabricaron bicapas de Bi_2FeTiO_6 encima de La_0,8Ba_0,2MnO_3, con distintos espesores de BFTO. Luego se utilizo microscopa C-AFM para obtener imágenes de corriente túnel y curvas IV a través de la barrera superior. Se aplico un modelo fenomenol ógico basado en el de Simmons y se obtuvieron diversos parámetros, incluyendo la longitud de atenuación λ = (1,19±0,3)nm, la energa de la barrera φ = (0, 52±0,09)eV y el exponente de la tensión en curvas IV:α0 = 2,7± 0,6, distinto del valor 2 predicho por el modelo de Simmons. También se midió corriente túnel depositando electrodos metalicos sobre la barrera de distintos tamaños. Se desarrollo una nueva tecnica para fabricar memristores utilizando los lms estudiados. Se utiliza una capa de LBMO como material sensor debajo de BTO y se forma un canal de conducción con ambos elementos. Luego si se coloca un pad metálico conectado a tierra sobre el sistema y se introduce una corriente por el canal se puede lograr que la cada de tensión sobre el LBMO polarice el lm de BTO (modo autopolarizado). Si en simultaneo aparece una interacción entre la polarización del BTO y la conductividad del LBMO se deberá medir una curva IV como la de un memristor. Se presento una patente basada en esta idea en el INPI con aval de Conicet. Se fabricaron estos dispositivos basados en interacciones con conexiones extras para realizar mediciones de interacción magnetoelectrica y obtener curvas IV. Se verifico que hay un cambio en la resistividad del LBMO de hasta diez veces debido a la polarización del BTO al aplicar un campo eléctrico externo. Se detecto histeresis en este cambio con lo que parece mantenerse cierta remanencia en el efecto, al menos temporalmente. Luego se conecto el dispositivo en modo autopolarizado y se midieron curvas IV. Se detecto comportamiento claramente memristivo con un efecto del orden del 5-10% en la curva IV, con lo que el dispositivo funciona como se diseño.
http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/593/
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contents Se fabricaron junturas túnel y microdispositivos memristivos aprovechando interacciones magnetoeléctricas presentes en materiales con estructura tipo perovskita, crecidos en forma de película delgada. Estos materiales son de gran interés debido a que presentan una fuerte correlación entre sus propiedades magnéticas, mecánicas y eléctricas. También se realizó una caracterización básica completa de los materiales utilizados mediante múltiples técnicas, como microscopia de fuerza atómica piezoeléctrica, mediciones de transporte o difracción de rayos X, entre otras. Algunas de estas técnicas fueron desarrolladas durante la presente tesis. Entre las aplicaciones tecnológicas que pueden aprovechar las propiedades de estos materiales y las interacciones entre ellos se encuentran los memristores, junturas túnel, sensores de campo eléctrico y magnético, memorias ferroeléctricas, entre otros. En muchos casos las aplicaciones se basan en poder fabricar sistemas multiferroicos compuestos, o sea, multicapas en las que se combinan propiedades magnéticas de algunos materiales con eléctricas de otros aprovechando fenómenos de acoplamiento magnetoeléctrico. En una primera etapa se realizó una caracterización básica de las propiedades de films ferromagnéticos y ferroeléctricos. Durante esta etapa se implementó y optimizó la utilización de un microscopio de fuerza atómica (AFM) para la realización de mapeos de conductividad de ultra baja corriente (CAFM o TUNA) y de medición de respuesta piezo-eléctrica (PFM). Finalmente, en una segunda etapa del trabajo se buscaron interacciones, se fabricaron junturas túnel y se desarrollaron memristores multiferróicos compuestos, mediante un método nuevo desarrollado para la ocasión. Se estudió la respuesta ferroeléctrica de films de BaTiO_3 crecidos sobre un sustrato de SrTiO_3 dopado y se detectó ferroelectricidad. Luego se puso en marcha un nuevo método para caracterizar la ferroelectricidad localmente en una película delgada, la microscopia de fuerza atómica piezoeléctrica, mediante la cual se pudieron obtener curvas de históresis de la respuesta piezoeléctrica de los films para varios espesores, así como leer y escribir mapas de piezorrespuesta en las superficies. Esta respuesta esta últimamente relacionada con la remanencia de la ferroelectricidad en el material, al se sensible la deformación local a la polarización eléctrica. Luego se midió la constante dieléctrica del material en forma de film como función de temperatura en búsqueda de transiciones de fase. No se observo ninguna. En el material bulk si se observan con lo que es razonable pensar que las transiciones se bloquean con las tensiones con el sustrato. Para analizar se analizo el modo de crecimiento estructural del material, presentando un crecimiento epitaxial. Sobre films de La_0,8Ba_0,2MnO_3 se realizaron mediciones de resistividad, efecto Hall, magnetorresistencia y magnetización como función de campo magnético, temperatura y espesor. También se midio la respuesta ferromagnética a 5K. Se analizo el comportamiento del transporte electrico incluyendo la transición de fase metal-semiconductor del material como funcion del espesor, encontrando correlaciones entre los datos de resistividad, magnetorresistencia y topogracos. También se ajustaron algunos modelos fenomenologicos de conductividad en manganitas (modelo de doble intercambio y Anderson) sobre datos de resistividad obteniendo parámetros críticos del material. El análisis topográfico implica un crecimiento en terrazas de algunos µm de lado. Este tipo de crecimiento implica una falta de percolacion completa para films mas delgados que aproximadamente 10nm de espesor y una degradación de las propiedades eléctricas para films mas delgados. Se hicieron mediciones de respuesta ferroelectrica y ferromagnetica de un lm de 50nm de Bi_2FeTiO_6. Se detecto un comportamiento paraelectrico y paramagnetico, sin histeresis en ninguno de los dos casos. Se midió el parámetro de red de todos los materiales utilizados mediante difracción de rayos X. Mediciones de magnetización y resistividad sugieren que al depositar 4.5nm de Bi_2FeTiO_6 sobre 30nm de La_0,8Ba_0,2MnO_3 la temperatura de transición del LBMO aumenta 25K respecto al LBMO solo, posiblemente por tension estructural de la red a causa del BFTO. Se fabricaron bicapas de Bi_2FeTiO_6 encima de La_0,8Ba_0,2MnO_3, con distintos espesores de BFTO. Luego se utilizo microscopa C-AFM para obtener imágenes de corriente túnel y curvas IV a través de la barrera superior. Se aplico un modelo fenomenol ógico basado en el de Simmons y se obtuvieron diversos parámetros, incluyendo la longitud de atenuación λ = (1,19±0,3)nm, la energa de la barrera φ = (0, 52±0,09)eV y el exponente de la tensión en curvas IV:α0 = 2,7± 0,6, distinto del valor 2 predicho por el modelo de Simmons. También se midió corriente túnel depositando electrodos metalicos sobre la barrera de distintos tamaños. Se desarrollo una nueva tecnica para fabricar memristores utilizando los lms estudiados. Se utiliza una capa de LBMO como material sensor debajo de BTO y se forma un canal de conducción con ambos elementos. Luego si se coloca un pad metálico conectado a tierra sobre el sistema y se introduce una corriente por el canal se puede lograr que la cada de tensión sobre el LBMO polarice el lm de BTO (modo autopolarizado). Si en simultaneo aparece una interacción entre la polarización del BTO y la conductividad del LBMO se deberá medir una curva IV como la de un memristor. Se presento una patente basada en esta idea en el INPI con aval de Conicet. Se fabricaron estos dispositivos basados en interacciones con conexiones extras para realizar mediciones de interacción magnetoelectrica y obtener curvas IV. Se verifico que hay un cambio en la resistividad del LBMO de hasta diez veces debido a la polarización del BTO al aplicar un campo eléctrico externo. Se detecto histeresis en este cambio con lo que parece mantenerse cierta remanencia en el efecto, al menos temporalmente. Luego se conecto el dispositivo en modo autopolarizado y se midieron curvas IV. Se detecto comportamiento claramente memristivo con un efecto del orden del 5-10% en la curva IV, con lo que el dispositivo funciona como se diseño.
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