Voltage control of magnetism in multiferroic ferromagnetic/ferroelectric heterostructures

Resumen

La presente Tesis doctoral abarca el diseño, la fabricación y la caracterización magnetoeléctrica de heteroestructuras ferromagnéticas/ferroeléctricas artificiales; en particular, de hierro-aluminio/ niobato de plomo y magnesio - titanato de plomo (FeAl/PMN-PT). Estos sistemas híbridos están destinados a reducir la disipación de calor y el consumo de energía cuando se accionan magnetoeléctricamente. Una de las principales estrategias para controlar el magnetismo con voltaje es el uso de materiales híbridos magnetostrictivos/ferroeléctricos. Sin embargo, cuando estas heteroestructuras se exponen a un campo eléctrico pueden producirse simultáneamente diferentes procesos, como los efectos mediados por la piezodeformación, la carga electrónica y la migración de oxígeno inducida por voltaje (magnetoiónica). Esto hace que la interpretación de los efectos magnetoeléctricos no sea sencilla y que, a menudo, se produzcan errores de interpretación. Dado que la deformación inducida (y las variaciones en la magnetización) son proporcionales al cuadrado de la polarización ferroeléctrica, la respuesta magnetoeléctrica mediada por la deformación suele ser simétrica respecto al signo de la tensión aplicada. Por el contrario, se pueden obtener respuestas asimétricas a partir de la carga electrónica y la migración de oxígeno inducida por voltaje. En esto caso, las heteroestructuras ferromagnéticas/ferroeléctricas basadas en FeAl y PMN-PT orientado según [011] han sido diseñadas en términos de espesor de capa, composición y microestructura para mostrar una respuesta magnetoeléctrica altamente asimétrica y poder desentrelazarlos efectos magnetoeléctricos mencionados. En concreto, el % atómico de Fe en torno al 75 y los grandes espesores (> 20 nm) permiten descartar cualquier posible efecto de acumulación de carga, mientras que no se observa experimentalmente ninguna evidencia de magnetoiónica, como era de esperar por la alta resistencia a la oxidación de la aleación Fe75Al25, lo que deja a la deformación como único mecanismo para modular la respuesta magnetoeléctrica asimétrica. Paralelamente, este enfoque se ha miniaturizado a discos de FeAl en la microescala sobre sustratos de PMN-32PT orientados según [011], utilizando litografía UV. Curiosamente, el comportamiento magnetoeléctrico de los discos de 50 nm de espesor de Fe75Al25 (at. %) crecidos sobre PMN-32PT orientado según [011], previamente cubierto con 10 nm de Cu, muestran una gama de propiedades magnéticas, que van desde el comportamiento multidominio hasta el de tipo vórtice, como consecuencia de la interacción entre las propiedades magnéticas en el plano y la actuación mediante voltaje aplicado.