Epitaxial spinel ferrite films for spin polarized tunneling transport.

Resumen

En este trabajo, se presenta un estudio detallado de dos ferritas con estructura de espinela, NiFe2O4 (NFO) y CoFe2O4 (CFO), como posibles candidatos para la realización de filtros de espin. Capas delgadas de NFO y CFO se depositaron por RF magnetron sputtering, y sus propiedades estructurales y magnéticas de capas delgadas fueron estudiadas en función de las condiciones de deposición (duración de la deposición, temperatura del substrato durante el crecimiento, tratamiento térmico sucesivo a la deposición), con el objetivo de conseguir superficies atómicamente planas y un crecimiento epitaxial, necesarios para obtener en las capas propiedades magnéticas y de transporte similares a las de los mismos materiales en forma masiva. Para analizar la influencia de la deformación de la estructura cristalina en las propiedades de las capas, estos óxidos complejos fueron depositados en substratos con estructura de espinela (MgAl2O4 - MAO) y orientación (001), y con estructura de perovskitas (SrTiO3 - STO) con orientación (001) y (111). Para cada tipo de substrato se consiguió un crecimiento epitaxial; además, las capas crecidas sobre MAO resultan comprimidas en el plano de la muestra hasta valores de grosor considerablemente mas grandes respecto a lo que se vió para cualquier orientación de STO, cuya diferencia de parámetro de celda con las espinelas es mucho mayor. La caracterización magnética evidencia como la magnetización de las capas depende fuertemente de su grosor: un gran aumento, hasta un factor 3 respecto al valor del compuesto masivo, fue observado como característica general de las capas más delgadas: este comportamiento fue atribuido a una distribución catiónica fuera de equilibrio de la estructura de espinela. En capas de CFO, se vió como un adecuado tratamiento térmico después de la deposición puede reconducir al valor de magnetización esperado en monocristales. Además, las capas más gruesas mostraron el valor de magnetización esperado solamente cuando eran crecidas en MAO, que cristaliza con la misma estructura de las capas, mientras que por las dos orientaciones que se estudiaron del STO se encontró un valor más bajo, de acuerdo con los datos reportados en literatura, que fue atribuido a la elevada diferencia entre los parámetros de celda de capa y substrato, la cual puede contribuir a la formación de regiones con defectos en la película (como antiphase boundaries). Por lo que respecta a la anisotropía magnética, las capas de NFO presentan un eje fácil en el plano de la muestra en todos los substratos estudiados; las de CFO crecidas en substratos de (001)MAO y (001)STO también muestran una anisotropía en el plano, mucho mas evidente que para NFO, mientras que no se puede reconocer claramente un eje fácil para substratos de (111)STO. Por otro lado, las capas de CFO resultaron magnéticamente más duras que las de NFO crecidas en las mismas condiciones, como consecuencia de la mayor anisotropía: por lo tanto, el CFO ofrece una probabilidad más alta de poder ser magnetizado de manera independiente del segundo electrodo (magnético) de la unión túnel, lo cual es necesario para conseguir la configuración antiparalela entre los dos electrodos. Por esta razón, el CFO fue considerado mejor candidato como barrera de filtraje de espín. Una vez optimizado el crecimiento de la barrera aislante, se presenta el desarrollo del electrodo no magnético. El SrRuO3 (SRO), conductor y no magnético a temperatura ambiente, fue crecido en substratos con orientación (001) y (111). Una baja rugosidad fue obtenida en ambos casos: en la orientación (001), se encontró una morfología de terrazas y escalones con formación de step bunching, cuya presencia fue relacionada con el grosor de las capas. Por otro lado, en la orientación (111) se obtuvieron superficies atómicamente planas, con los valores de rugosidad más bajos publicados por el sistema SRO//(111)STO. Medidas de transporte eléctrico confirmaron el carácter conductor de las capas y revelaron su TC aproximadamente a 110 K. Finalmente, se presenta la caracterización de una estructura completa de filtro de espin: barreras de CFO fueron depositadas sobre una capas de 25 nm de SRO, crecida en substratos de STO orientados sea (001) que (111). En contraste con los resultados obtenidos en las capas de CFO//(001)STO, las capas de CFO crecidas sobre (001)SRO presentan una morfología granular: la presencia de estos granos puede ser perjudicial para la conservación del estado de espín electrónico. Por lo tanto, las heteroestructuras mas favorables como filtros de espín resultaron ser las muestras CFO/SRO//(111)STO, las cuales fueron litografiadas en nano- y micro- uniones y sucesivamente analizada por medidas de magnetotransporte. La caracterización magnética de estas estructuras reveló una baja remanencia a temperatura ambiente, sugiriendo la presencia de una estructura magnética de multidominio en las capas de CFO, la cual impide obtener una magnetización antiparalela entre las capas de CFO y el contraeléctrodo de cobalto, depositado en el proceso de litografía. Una respuesta TMR muy baja (0.7%) fue medida a 170 K, y prácticamente 0 a temperatura ambiente. Posteriormente, se presentan los resultados de medidas de Conducting Atomic Force Microscopy (C AFM) que demuestran que el transporte túnel no es el único mecanismo que tiene lugar en las capas de CFO a temperatura ambiente, sino que otros canales de transporte, que probablemente no preservan el estado de espín, contribuyen al transporte; capas tratadas térmicamente demostraron mejores propiedades de transporte. La polarización de las barreras de CFO fue ulteriormente estudiada utilizando la técnica de espectroscopia de Point Contact Andreev Reflection (PCAR), siguiendo un enfoque novedoso, utilizado por primera vez en la caracterización de capas magnéticas y aislantes: aunque se encontraron valores en acuerdo con los datos reportados [Ram07, Ram08] (13% a 4 K), estos son considerablemente bajos respecto a la predicción teórica de polarización total (100%). De todas formas, la aplicabilidad de la espectroscopia PCAR a este tipo de dispositivos representa un logro que ofrece nuevas posibilidades para la comprensión del fenómeno de filtraje de espín. Los resultados de esta tesis representan un paso adelante en el conocimiento de la complejas propiedades magnéticas y estructurales de capas delgadas de espinelas (ferritas), de las cuales, a pesar de presentar en forma masiva las propiedades optímales para ser utilizadas como filtros de espín, hoy en día no se ha sido conseguido aun demostrar la gran eficiencia predicha por los modelos teóricos.