Preparación por pld y caracterización de multicapas de fe/mgo en torno al umbral de percolación

Resumen

1. INTRODUCCIÓN Una nueva generación de dispositivos que combina las ventajas de la electrónica convencional de semiconductores con el fenómeno del transporte dependiente del espín está emergiendo como consecuencia de sus aplicaciones potenciales en magnetoelectrónica, ya sea como dispositivos de almacenamiento, sensores o potenciómetros [1]. El interés en el desarrollo de estos dispositivos espintrónicos ha fomentado la búsqueda de nuevos materiales en la escala nanométrica, donde las propiedades magnéticas y de transporte difieren sustancialmente de las de los materiales en su estado masivo. Entre aquellos materiales, podemos mencionar los granulares cermet, en los que partículas metálicas y magnéticas de tamaño nanométrico están dispersas en una matriz aislante [2-4]. Las multicapas discontinuas metal-aislante (DMIMs, de sus siglas en inglés discontinuous metal insulator multilayers) son una clase particular de granular cermet, donde las partículas metálicas están dispersas aleatoriamente en una capa, y no por toda la matriz aislante. Esta disposición particular causa el incremento de la sensibilidad de la magnetorresistencia (MR) a temperatura ambiente [5]. La preparación de las DMIMs es más fácil que en el caso de las uniones túnel epitaxiales magnéticas (MTJs, de sus siglas en inglés magnetic tunnel junctions), que muestran unos valores de MR muy superiores, pero que se ven drásticamente reducidos por la presencia de defectos estructurales en las interfases [6, 7]. El principio físico que subyace a la MR en ambos casos (DMIMs y MTJs) es una transferencia de carga eléctrica dependiente del espín entre dos electrodos o gránulos magnéticos a través del efecto túnel. Este efecto se denomina MR túnel (TMR), donde la probabilidad del efecto túnel es función de la orientación de la imanación de los electrodos o gránulos. Experimentalmente, se han encontrado valores absolutos de TMR a temperatura ambiente de hasta 180 % en uniones epitaxiales de Fe(001)/MgO(001)/Fe(001) [8], y cálculos teóricos predicen valores incluso mayores [9]. A pesar de la exhaustiva investigación llevada a cabo en uniones planares de Fe/MgO/Fe para MTJs, apenas se ha prestado atención a los materiales granulares Fe/MgO [10]. Durante el desarrollo de esta tesis se hará hincapié en el crecimiento y caracterización de DMIMs crecidas por deposición por láser pulsado (PLD). 2. OBJETIVOS Y PRINCIPALES RESULTADOS DE LA TESIS Los objetivos de la tesis doctoral se han centrado en la optimización del crecimiento de multicapas de Fe/MgO en torno al umbral de percolación del Fe, así como en su posterior caracterización magnética y de transporte. En particular, destacaremos los siguientes puntos: (a) Crecimiento de DMIMs de Fe/MgO sobre sustratos de vidrio en torno al umbral de percolación del Fe mediante la técnica de PLD con el sistema de Neocera Inc. ubicado en el Instituto de Nanociencia de Aragón. Se analizó exhaustivamente el efecto que el espesor nominal de Fe (tFe) tiene en la microestructura y las propiedades magnéticas, de transporte y magnetotransporte. Para el estudio de las propiedades eléctricas de las muestras en función de la temperatura y del campo magnético aplicado, se utilizó un equipo no comercial desarrollado en colaboración con el Dr. Pavel Strichovanec. Este equipo de transporte consta de varios componentes que, por sus peculiaridades, lo convierten en un instrumento de medida versátil, capaz de determinar con precisión valores de resistencia comprendidos entre 10 mW y ~3 GW. Los resultados obtenidos muestran buen acuerdo con la literatura precedente en sistemas granulares y películas ultradelgadas de Fe. (b) Influencia del sustrato y temperatura de deposición en la morfología y propiedades magnéticas y de magnetotransporte. Para este estudio se prepararon una serie de multicapas sobre vidrio y MgO(001) aumentando la temperatura del sustrato (TS) durante la deposición (de temperatura ambiente a TS=250 ºC). Los resultados experimentales manifiestan el crecimiento policristalino en las DMIMs crecidas sobre vidrio, así como la texturación inducida por el sustrato monocristalino de MgO. Además el aumento de TS induce una mayor calidad cristalina. Las medidas de TMR a temperatura ambiente revelan una variación dramática con el sustrato y TS, sugiriendo nuevas vías para la preparación de DMIMs. (c) La síntesis combinatoria de materiales consiste en la preparación simultánea de varias muestras en donde se establece una diferencia gradual en la composición. La distribución angular del material eyectado por la pluma en la técnica de PLD es bien conocida. Es precisamente esta propiedad la que nos ha permitido preparar con éxito series combinatorias en donde se han variado los espesores nominales de Fe y MgO bajo el umbral de percolación del Fe. (d) La presión ejercida sobre un material puede alterar tanto su estructura electrónica como su morfología. En materiales granulares metal-aislante, el efecto de la presión en la resistividad y el magnetotransporte apenas ha sido objeto de estudio. Sólo unos pocos artículos de un mismo grupo investigador hacen hincapié en la influencia que este parámetro tiene sobre el transporte en granulares de Co- Al-O [11-13]. Con el objeto de realizar un estudio del efecto de la presión en las propiedades de transporte y magnetotransporte de nuestras DMIMs de Fe/MgO, el doctorando realizó una estancia breve de investigación en el grupo del profesor Z. Arnold de la Academia de las Ciencias de Praga. Los resultados preliminares de esta investigación muestran un incremento en la MR con la presión hidrostática a temperatura ambiente, comportamiento sin precedentes en la literatura hasta la fecha. 3. REFERENCIAS [1] S. A. Wolf, D. D. Awschalom, R. A. Buhrman, J. M. Daughton, S. von Molnar, M. L. Roukes, A. Y. Chtchelkanova, y D. M. Treger. Science 294, 1488 (2001). [2] B. Abeles, P. Sheng, M. D. Coutts, and Y. Arie. Adv. Phys. 24, 407 (1975). [3] H. Fujimori, S. Ohnuma, N. Kobayashi, y T. Masumoto. J. Magn. Magn. Mater. 304, 32 (2006). [4] A. Vovk, J. Q. Wang, J. He, W. Zhou, A. Pogoriliy, O. Shypil', A. Kravets, y H. Khan, J. Appl. Phys. 91, 10017 (2002). [5] G. N. Kakazei, Yu. G. Pogorelov, A. M. L. Lopes, J. B. Sousa, S. Cardoso, P. P. Freitas, M. M. Pereira de Azevedo, y E. Snoeck. J. Appl. Phys. 90, 4044 (2001). [6] X. Xu, V. M. Karpan, K. Xia, M. Zwierzycki, I. Marushchenco, y P. J. Nelly. Phys. Rev. B 73, 180402R (2006). [7] P. Bose, A. Ernst, I. Mertig, y J. Henk. Phys. Rev. B 78, 092403 (2008). [8] S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y. Suzuki, y K. Ando. Nature Mater. 3, 868 (2004). [9] J. Mathon y A. Umerski. Phys. Rev. B 63, 220403 (2001). [10] M. Arita, K. Wakasugi, K. Ohta, K. Hamada, T. Takahashi, y J. B. Choi. Microelectron. Eng. 85, 2445 (2008). [11] S. Kaji, G. Oomi, M. Hedo,Y. Uwatoko, S. Mitani, K. Takanashi, S. Takahashi, y S. Maekawa. J. Phys. Soc. Japan 74, 2783 (2005) [12] S. Kaji, G. Oomi, S. Mitani, y K. Takanashi. J. Magn. Magn. Mater 272, 1829 (2004). [13] S. Kaji, G. Oomi, S. Mitani, S. Takahashi, K. Takanashi, y S. Maekawa. Phys. Rev. B 68, 054429 (2003).