ModulareaModularea proprietatilor proprietatilor … projects/Workshop...x – concentratia de Sr d – excesul de O2 2 Studiul efectelor incorporarii de oxigen in filmele epitaxiale

ModulareaModularea proprietatilorproprietatilor filmelorfilmelor epitaxialeepitaxiale dedeLaLa0.660.66SrSr0.330.33MnOMnO33 (LSMO)(LSMO)

FilmeFilme de LSMO de LSMO nanostructuratenanostructurate

Traian Petrisor Jr.

Monitorizare proiect PCCE-ID106Cluj-Napoca 4.04.2012

Filme epitaxiale de LSMO in aplicatii pentru spintronicaFilme epitaxiale de LSMO in aplicatii pentru spintronica

LSMO/CNT/LSMO

4.2 K

Polarizarea mare de spin a LSMO, P=80%P=80% (R. J. Soulen Jr. et al., Science 282, 85 (1998)) recomanda folosirea acestuia ca electrod FM in dispozitive spintronice;

L.E. Hueso, A. Fert, N.D. Mathur. Nature 445, 410 (2007)

M. Bowen, et al. Appl. Phys. Lett. 82,233 (2003)

LSMO/STO/LSMO/Co/CoO

1

Studiul efectelor incorporarii de oxigen in filmele epitaxiale de LSMO

inducerea de vacante cationice

Continutul de oxigen Mn3+ – O – Mn4+ Dublu schimbFeromagnetism

Modularea proprietatilor filmelor epitaxiale de LSMOModularea proprietatilor filmelor epitaxiale de LSMO

J. A. M. van Roosmalen, E. H. P. Cordfunke, R. B. Helmholdt, H. W. Zandbergen, J. Solid State Chem. 110, 100, 106, 109, 113 (1994);

Exista doua efecte ale incroporarii de oxigenin excess in LSMO

inducerea de vacante cationice(La, Sr, Mn)

modificarea raportului Mn3+/Mn4+

Mn3+/Mn4+ = x + 2d=(1-x-2d)x – concentratia de Srd – excesul de O2

2


Secventa de depunere si tratamentul termic de oxigenare


filmul de LSMO s-a depus prin pulverizare catodica pe un substrat de STO (001);

din retiuni de reproductibilitate filmul depus a fost impartit in cinci probe care au urmat tratamente termice in diferite compozitii ale gazului de tratament:

x% O2 : (1-x)% Ar, x = 0, 3, 10, 25, 100

3


0% O2


tratamentul termic rezulta in terasarea filmelor de LSMO;

forma marginilor teraselor filmelor indicao modificare a compozitiei chimice a stratuluiterminal.

4


masuratorile simetrice2q/w s-au efectuat pentrudeterminarea parametruluiin afara planului filmului, cLSMO


masuratorile asimetrices-au efectuat pentru determinareaparametrului din planul filmuluiaLSMO (combinatie intre masuratori2q/w si w – scan → CartografiereaSpatiului Reciproc)

5



parametrul de retea din planul filmului de LSMO indica o crestere tensionata a acestuia pe substratul de STO (001) (aLSMO = aSTO);

scaderea parametrului de retea in afara planului, cLSMO, odata cu cresterea contintului de oxigen din gazul de tratament, confirma inducerea de Mn4+ in excess, rMn4+ < rMn3+;

pentru evaluarea influentei oxigenului asupra parametrului cLSMO s-a calculat parametrul de retea eliminand contributia tensiunii interne a filmului, tinand cont de factorul Poisson, n:

6

��

Film

Lattice distortion aroundan edge dislocation (Diffuse scattering)

Mosaicity = f( ) (Coherent scattering)��

101

102

103

Inte

nsity

(u.

a.)

100%25%10%3%0%


Distorsiunile locale ale retelei (ex.: dilocatii, vacante)→Imprastiere difuza

Mozaicitatea→Imprastiere coerenta

Imprastiere coerenta


Dw

Substrate-0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50

10

( o )

Imprastiere difuza

din analiza profilelor de difrcatie de tip w-scan se pot extrage informatii privinddistorsiunile locale ale retelei filmelor de LSMO;

Continut de oxigen (exces sau deficit) Vacante (oxigen sau cationice)

Profil specific de difractie 7



profilele w-scan au fost analizate in cadrul modelului propus de Boulle et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 38, 3907 (2005) pentru a evalua proprietatile structuraleale defectelor: lungimea de corelatie si mosaicitatea (defectelor) ;

scaderea lungimii de corelatie indica cresterea numarului de defecte, iar cresterea mozaicitatii reprezinta o abatere mai puternica de la pozitiile ideale ale atomilor de LSMO;

evolutia celor doi parametrii confirma faptul ca odata cu cresterea gradului de oxigenareare loc formarea concomitenta a vacantelor cationice (La, Sr, Mn).

8



evolutia temperaturii Curie se produce in doua etape: crestere brusca x<10%, cresterelenta (platou) x>10%;

largimea tranzitiei M(T) confirma ipoteza celor doua etape:1. Evolutia inspre o faza uniforma, recuperarea deficitului de oxigen;2. Oxigen in excess.

9



considerand originea coercivitatii ca fiind ancorarea peretilor de domenii pe defecteevolutia Hc intaresc ipoteza existentei celor doua regimuri;

analiza XPS (O. Pana-INCDTIM) a filmelor de LSMO confirma cele doua etape ale oxigenarii;

T. Petrisor Jr., M. S. Gabor, A. Boulle, C. Bellouard, C.Tiusan, O. Pana, and T. Petrisor, J. Appl. Phys. 109, 123913 (2011)

10

Cresterea si caracterizarea nanostructurilor de LSMO

Pentru studiile de crestere in functie de temperatura substratului s-au depus filme avandgrosimea de 25 nm, la temperaturile de 650, 750, 800 si 825 oC

Filme nanostructurate de LSMOFilme nanostructurate de LSMO

650 oC 750 oC

800 oC 825 oC

morfologia filmelor confirmacresterea filmelor de LSMO in modulmixt 2D-3D, inaltimea nanostructurilorfiind mai mica decat grosimea filmelor

11



cresterea temperaturii substratului in timpul depunerii are rolul de a creste energia cinetica a atomilor incidenti pe suprafata acestuia, fapt ce conduce la cresterea dimensiunilor laterale ale nanostructurilor;

studiile de morfologie indica posibilitatea de modulare a dimensiunilor nano-insulelorde LSMO in functie de temperatura de depunere.

12


Terasarea substratelor de SrTiO3 (001) conduce la ordonarea nanostructurilor de LSMO de-alungul acestora


Substrat STO (001) terasat Film de LSMO nanostructurat

tratamentul de terasare: chimic – 10 sec. NH4:HF (pH=5,5) uniformitate chimica;termic – 950 oC, 12 min. in O2 terasare;

inaltimea teraselor (~4 Å) corespunde la aSTO (aSTO = 3.905 Å)

profilele de inaltime ale substratului (Figura), respectiv ale filmului indica limitarea cresterii insulelor de LSMO de catre largimea teraselor de STO.

13


Aplicatii ale filmelor nanostructurate de LSMO

ancorarea magnetica a vortexurilor supraconductoare, in structuri de tipul feromagnet/supraconductor (La0.66Sr0.33MnO3/YBa2Cu3O7)

Imagine TEM a structurii YBCO/LSMO – B. S. Vasile (UPB)

forta magnetica de ancorare este localizata la nivelul nanostructurilor de LSMO

14

Aplicatii ale filmelor nanostructurate de LSMO


imaginea AFM a suprafetei filnului de LSMO corspundecu cea a potentialului de ancorare magnetica la saturatie;

vortexurile supraconductoare vor fi ancorate la limiteledintre nanostructurilor de LSMO;

studiile efectuate confirma existenta unui potential de ancoraremagnetic, eficient la campuri si temperaturi ridicate (relevante dinpunct de vedere al apicatiilor practice).

T. Petrisor Jr. et al. (to be published) 15

ConcluziiConcluzii

• S-a demonstrat rolul concentratiei de oxigen in modularea proprietatilorfilmelor epitaxiale de LSMO;

• S-a demonstrat posibilitatea obtinerii de nanostructuri de LSMO ordonatepe substraturi terasate de STO cu dimensiuni laterale modulabile;

• S-a aratat potentialul nanostructurilor de LSMO in ancorarea magnetica a• S-a aratat potentialul nanostructurilor de LSMO in ancorarea magnetica avortexurilor supraconductoare.

16

Documents

ModulareaModularea proprietatilor proprietatilor … projects/Workshop...x – concentratia de Sr d – excesul de O2 2 Studiul efectelor incorporarii de oxigen in filmele epitaxiale