Diseño y fabricación de films a base de óxidos para aplicaciones en espintrónica
2021
| Tesista | Aneely Alejandra CARRERO LOBO Magister en Física de la Materia Condensada - Universidad de los Andes - Venezuela Doctor en Ciencia y Tecnología, Mención Física - Instituto Sabato UNSAM/CNEA - Argentina |
| Directora | Dra. Laura B. STEREN. INN, CNEA, CONICET, UBA - Argentina. |
| Lugar de realización | Gerencia Investigación y Aplicaciones. CAC, CNEA - Argentina |
| Fecha Defensa | 2/03/2021 |
| Jurado | Dra Claudia RODRÍGUEZ TORRES. UNLP, CONICET - Argentina |
| Código | ITS/TD-145/21 |
Título completo
Diseño y fabricación de films a base de óxidos para aplicaciones en espintrónica
Resumen
Hoy en día existe gran interés en la integración de óxidos de perovskita en
sustratos monocristalinos de silicio con el objetivo de mejorar la actuación de los
dispositivos electrónicos y ampliar sus funcionalidades. Sin embargo, el crecimiento
de óxidos epitaxiales y de calidad sobre silicio aún hoy en día sigue siendo un
desafío, debido a la alta reactividad del silicio con el oxígeno y a los desajustes de
red entre óxido/sustrato. Con la finalidad de desarrollar dispositivos novedosos y
multifuncionales propusimos en esta tesis la fabricación de multiferroicos artificiales
consistentes en multicapas que alternan componentes ferroeléctricas y
ferromagnéticas.
En una primera etapa de la tesis se puso a punto el crecimiento por ablación
laser (PLD) de capas delgadas ferromagnéticas de tipo La0.66Sr0.33MnO3 (LSMO),
seleccionando capas tapón o buffers de YSZ y CeO2 que permitieran confinar la
difusión de oxígeno y mejoraran el acople cristalino entre el sustrato y la película de
interés. La optimización del proceso de crecimiento se llevó a cabo realizando una
caracterización detallada del apilamiento de las distintas capas, su composición
química, la calidad y tipo de estructura cristalina así como las propiedades
magnéticas y eléctricas de este sistema. Los distintos ensayos permitieron constatar
la excelente cristalinidad de las muestras, la presencia de interfaces relativamente
abruptas y de superficies lisas. Nuestro estudio mostró que es posible después de
una optimización cuidadosa de los parámetros de crecimiento y la selección
apropiada de las capas buffer la integración de películas de LSMO con propiedades
magnéticas y eléctricas controladas sobre sustratos monocristalinos de silicio por
PLD.
En la segunda etapa se trabajó en la construcción de multiferroicos alternando
capas delgadas de LSMO y BaTiO3 (BTO) sobre silicio. Para ello se optimizó el
crecimiento de las distintas componentes para luego integrar exitosamente bicapas
de tipo LSMO/BTO en silicio. Las bicapas mostraron tener interfaces definidas y
buena cristalinidad. Se confirmó que las manganitas presentan en estas series de
muestras propiedades ferromagnéticas comparables a las de películas de LSMO
individuales. Se analizó el rol de las interfaces sobre las propiedades de estos
sistemas examinando las propiedades de bicapas BTO/LSMO.
Se trabajó igualmente en el crecimiento de electrodos metálicos de LaNiO3
(LNO) para poder controlar la polarización del ferroeléctrico en multicapas. Se
lograron capas orientadas en dirección (00h) con baja rugosidad superficial y
estructura cristalina relajada respecto al sustrato. Finalmente se fabricaron
multicapas LSMO/BTO/LNO cuyas propiedades cristalinas se analizaron,
determinando el efecto de las tensiones en la multicapa. Estas heteroestructuras
presentan una combinación bastante prometedora para utilizarse en la innovación de
dispositivos, como por ejemplo en memorias multiferroicas, donde se aproveche el
acoplamiento magnetoeléctrico y magneto-elástico a través de la interfaz FE/FM.
Complete Title
Design and fabrication of oxide-based films for spintronics applications
Abstract
Nowadays there is a lot of interest in the integration of perovskite oxides in
silicon monocrystalline substrates looking for an improvement and expansion of the
spintronic devices functionalities. The growth of highly crystalline oxides on silicon
is still a challenge, given the high reactivity of silicon surface with oxygen, the
different thermal expansion coefficient and the lattices mismatch between
oxide/substrate. In order to develop novel and multifunctional devices, in this thesis
we propose the fabrication of artificial multiferroics consisting in multilayers that
alternate ferroelectric and ferromagnetic components.
In the first stage of the thesis, the growth by laser ablation (PLD) of
La0.66Sr0.33MnO3 (LSMO) ferromagnetic thin films was fine-tuned. By choosing
adequate buffer layers, YSZ and CeO2, we were able to confine the diffusion of
oxygen to the first buffer layer and improve the crystalline coupling between oxide
and substrate. The optimization of the growth process was carried out by performing
a detailed characterization of the layers stacking, their chemical composition, the
quality and type of crystalline structure, as well as the magnetic and electrical
properties of these systems. The different studies carried out confirmed the excellent
crystallinity of the samples and the presence of relatively abrupt interfaces and
smooth surfaces. Our study showed that after the careful optimization of growth
parameters and appropriate choice of buffer layers, it is possible to integrate high
quality LSMO thin films with controlled magnetic and electrical properties on
monocrystalline silicon substrates by PLD.
In the second stage, artificial multiferroics were grown by alternating thin
layers of LSMO and BaTiO3 (BTO) on silicon. For this, the growth of the different
components was optimized to then successfully integrate high crystalline BTO /
LSMO bilayers on silicon. It was then confirmed that manganites exhibit
ferromagnetic properties close to single LSMO thin films in these sample series. The
role of the interfaces on the properties of these systems was analyzed by examining
the properties BTO / LSMO bilayers. We also worked on the growth of metallic
electrodes of LaNiO3 (LNO) to use as electrode for the control of the ferroelectric
polarization. Layers (00h)-oriented were achieved with low surface roughness and
relaxed crystalline structures in regard to the substrate. Finally, LSMO / BTO /
LNO multilayers were successfully fabricated and their crystalline properties were
analyzed, as well as the effects of strains in the multilayer. These heterostructures
are promising to be used in device innovation, such as multiferroic memories.
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