Integrationof half-metallic ferromagnetic thin films on silicon by means of a tunnel contact

Resumen

El uso de contactos túnel magnéticos se ha probado como uno de los métodos más eficientes para la inyección y detección de corrientes polarizadas en espín en semiconductores. En este tipo de sistemas, los portadores de carga polarizados en espín del electrodo ferromagnético se transfieren al semiconductor por efecto túnel a través de una barrera aislante. La introducción de una barrera túnel permite sortear el bien conocido problema de la impedancia, derivado de la diferente densidad de portadores entre el material ferromagnético conductor y el semiconductor. Sin embargo, para poder obtener una inyección eficiente el sistema debe además cumplir ciertos requisitos. Uno de las condiciones principales es que las heteroestructuras presenten intercaras abruptas tanto morfológicamente como desde el punto de vista químico. Esto se debe a que una rugosidad alta puede generar campos magnetoestáticos en la intercara que induzcan la precesión de los espines y reduzcan la polarización en el semiconductor. Además, los defectos presentes en la intercara pueden funcionar como centros de dispersión y reducir a su vez la polarización. El trabajo desarrollado durante esta tesis se ha centrado en el desarrollo de estrategias para la fabricación de contactos túnel magnéticos en semiconductores basados en materiales medio metálicos. Los materiales medio metálicos han despertado gran interés, especialmente en espintrónica, ya que se predice que presentan una polarización 100 % en espín en el nivel de Fermi. La implementación de estos materiales en el diseño de dispositivos de inyección de espín puede añadir nuevas prestaciones al sistema y aumentar significativamente su eficiencia. Sin embargo, su uso con este fin ha sido raramente explorado. Se puede dividir el trabajo en dos bloques, en un primer lugar se trabajó en el desarrollo de estrategias para la fabricación de contactos túnel magnéticos en silicio utilizando electrodos medio metálicos de magnetita. Uno de los grandes desafíos para el crecimiento de este tipo de muestras es conseguir la estabilización del silicio durante la evaporación del óxido. Para la preparación de las muestras se utilizaron dos métodos diferentes. En un primer lugar se evaporó Fe3O4 por deposición de láser pulsado (PLD) en Si(100) manteniendo el óxido nativo amorfo como barrera túnel. En un segundo estudio el óxido nativo fue eliminado para evaporar láminas epitaxiales ultra-delgadas de SrTiO3 y posteriormente depositar las láminas de magnetita. Este método permite la obtención de una barrera túnel epitaxial que permita el crecimiento cristalino de la magnetita. Al mismo tiempo, permite el control del espesor de lo barrera túnel pudiendo modificar este parámetro a voluntad en el diseño de los sistemas. En la segunda parte del trabajo se estudió el crecimiento de láminas delgadas de Fe3Si, el cuál también es un material medio-metálico, en SrTiO3(001), obteniendo por primera vez el crecimiento de láminas epitaxiales sobre este sustrato. Este podría ser un primer paso para la integración de este material en silicio con un método equivalente al presentado para la magnetita. Las muestras preparadas fueron caracterizadas por un gran número de técnicas como LEED, XPS, RAMAN o microscopía electrónica para caracterizar las propiedades estructurales, morfológicas y químicas. Es especialmente significativo el uso de técnicas de radiación sincrotrón entre ellas XRD, XAS y fotoemisión de alta energía, especialmente enfocadas a la caracterización profunda de las intercaras enterradas en las muestras. Este punto es especialmente importante debido a la gran importancia que estas tienen en las propiedades de transporte del sistema. Los resultados obtenidos durante esta tesis demostraron en los dos sistemas Fe3O4/aislante/Si estudiados una relacion directa entre la evolucion de la intercara de la barrera tunel aislante con el silicio y la obtencion de láminas estequiometricas de magnetita.