Nanoestructuras Magneticas Artificiales
CRECIMIENTO DE NANOESTRUCTURAS MAGNETICAS: FILMS Y MULTICAPAS
FENOMENOS DE TRANSPORTE POLARIZADO EN ESPIN
Laura B. Steren
Grupo Materia CondensadaCentro Atómico Constituyentes, San Martin
Argentina
Guia del mini-curso
- INTRODUCCION / MOTIVACIONES
- TECNICAS DE FABRICACION / TECNICAS DE ESTUDIO DE PROPIEDADES
ELECTRICAS
- TRANSPORTE ELECTRICO POLARIZADO EN ESPIN
Magnetoresistencia anisotropica y efecto Hall
Espintrónica
Que son las NANOESTRUCTURAS ?
sección ~ nm, largo: mm
diámetro ~ nm
espesor ~ nm, área : mm2estructuras más complejas
PARTICULAS
HILOS
PELICULAS
FISICA BASICA
las propiedades fisicascambian
MOTIVACION: porque estudiarlas?
I MAGNETISMO
- Estructura electronica- Orden magnetico- Anisotropias
II ELECTRONICA DE ESPIN
-Efectos de confinamiento en las propiedades electronicas…- Sensores GMR- Junturas tunel/ Filtros de espin- Desplazamiento de paredes de dominios inducido por corriente
IdealmenteLa INGENIERIA DE MATERIALES nos permite diseñar estructuras para el
esudio de ciertos fenomenos a la nanoescala (=> test de efectos cuanticos) o construccion de dispositivos con funcionalidades especificas(transistores, juntura, etc.).
Sin embargo La mayor parte de las veces, los materiales nos revelan nuevos fenomenosy propiedades inesperadas, dando lugar a nuevos estudios y motivaciones
III INGENIERIA DE MATERIALES Estructuras que combinan elementos y/o diseño de muestras con geometrias especificas para el estudio de propiedades particulares.
Comercializada
Cabezales de lectura de discos rigidosDiscos rigidos
Nuevos mercados, Reemplazo de tecnologias existentesFrenos (industria automotor)Sensores de movimiento
Tecnologias en desarrollo Reconocimiento biomolecular
Antigenos-anticuerpos;
Receptor-ligando;
Hebras de DNA
IV APLICACIONES
MRAM: magnetic random access memory
IBM, MIT, ….
= Arquitectura sense lines
= Cross-point array
COMO SE FABRICAN ?
Metodos quimicos: particulas, alambres y tubos
Metodos fisicos: peliculas delgadas y multicapas
HV Ablacion Laser (2-10nm/min)Sputtering (1-10nm/min)
UHV Molecular Beam Epitaxy (MBE) (0.05 – 1nm/min)
CARACTERISTICAS PRINCIPALES
* Densidad de energía del pulso mayor a un cierto umbral, dependiente del material a evaporar. YBCO: 1J/cm2, idemAu,Cu, Al
* Velocidad de deposito típica 1nm/pulso 20-100Å/min.
* Area del film determinado por las dimensiones de la pluma, ~1cm2
• UTILIZACION DE LASERES PULSADOS DE ALTA POTENCIA
Ejs. ArF (1-50Hz, λλλλ= 193nm), Nd:YAG (30Hz, λλλλ = 1064nm, 532nm, 335nm)
Pulsos de ~20ns
• CAMPANAS DE ALTO VACIO o CON GASES (crecimiento de oxidos con O2,
etc)
ABLACION LASER (PLD)
EVAPORACION POR HAZ DE ELECTRONES
BLANCO
CAÑON ELECTRONES
SUSTRATO
PULVERIZACION CATODICA “SPUTTERING”
• Camara de alto vacío (10-8 Torr)
• Presión de trabajo: ~mTorr gas en la cámara
generalmente noble (Ar), depende el material a evaporar ej. oxígeno
Ar+
sustrato - anodo
blanco - catodoe-
La superficie de un blanco es bombardeada por un flujo de iones
(plasma localizado entre blanco y sustrato)
Una porcion de los atomos eyectados se condensan en un sustrato
• Velocidad de deposito típica 10-100Å/min
EVAPORADORES
SHUTTERS
SUSTRATO
EVAPORACION POR HAZ MOLECULAR MBE
UHV
Crecimiento Fe por MBEImagen STM adquirida in-situ
CARACTERIZACION CRECIMIENTO IN-SITURHEED
AUGER
STM
TEMCARACTERISTICAS PRINCIPALESEvaporacion en UHV: 10-10Torr
Velocidades tipicas 0.5-10 Å/min
Crecimiento epitaxial
NANOSTRUCTURACION de MUESTRAS Y DISPOSITIVOS
LITOGRAFIA + GRABADO FOCUSED ION BEAM (FIB), ETC
Charla H. Pastoriza
III CARACTERIZACION Y ESTUDIO
=> TRANSPORTE POLARIZADO EN ESPIN
Magnetoresistencia, Efecto HallConductive AFM LOCAL SP-STM LOCAL
ESPINTRONICA o
TRANSPORTE ELECTRICO POLARIZADO EN ESPIN
CONDUCCION ELECTRICA
Estructura electronica metales
Mecanismos de scattering: electron- fononelectron-
electronelectron- momento magnetico
En general: potenciales de scattering
RELACION DEL TRANSPORTE ELECTRICO CON ELMAGNETISMO DE LOS MATERIALES
S-L (espin-orbita)Interaccion de los electrones con momentos localizados
(metal con impurezas paramagneticas)
contribucion electrica a la resistenciadel material
Efecto Kondo (interacciones s-d)
Observacion de efectos magnetoresistivos en vidrios de espin
Otros efectos magnetoresistivos en materiales ferromagneticos
MEDICIONES DE TRANSPORTE ELECTRICO CON CAMPO MAGNETICO
ρρρρXX ρρρρXY ρρρρXZρρρρYX ρρρρYY ρρρρYZρρρρZX ρρρρZY ρρρρZZ
ρρρρ =
MAGNETORESISTENCIA I // o ⊥⊥⊥⊥ V ; H plano I,V
EFECTO HALL I ⊥⊥⊥⊥ V ⊥⊥⊥⊥ H
MAGNETORESISTENCIA
Fuerza de Lorentz queactuan sobre la trayectoriadel electron (MR).
A.D. Kent et al
J. Phys. Cond. Mat. 13, R461
(2001)
MAGNETORESISTENCIA ANISOTROPICA en FM
Rol del acoplamiento spin-orbita sobre el scattering de los electrones
EFECTO HALL EN MATERIALES FERROMAGNETICOS
Anomalo:∝M, Rs prop. roorigen: SO
Ordinario:Bandas/Scattering (ττττ)
Medidas de efecto Hall realizadas sobre films monocristalinosde MnAs
-9 -6 -3 0 3 6 9
-10
0
10
-9 -6 -3 0 3 6 9
-10
0
10
-9 -6 -3 0 3 6 9-2
0
2
-9 -6 -3 0 3 6 9
-0.5
0.0
0.5
-9 -6 -3 0 3 6 9
-1
0
1
electrons
H(T)
T=5K
T=20K
T=40K
T=60K
T=70KV
H
holes
- Cambio de signo del efectoHall cerca de 40K
Hay huecos y electrones
Calculo
de la
supe
rficie
de F
ermi
C. Helman, A.M. Llois
TRANSPORTE EN NANOESTRUCTURAS MAGNETICAS
= Nuevo grado de libertad respecto a la electronicatradicional: espin de los portadores
= Potenciales de scattering dependientes de espin: interfaces, macizo
= Estructura electronica
Comprensión de nuevos efectos y propiedades en films y multicapasartificiales intrinsecos y extrinsecos
Diseño de dispositivos multifuncionales: junturas tunel, filtros de espin
Aplicaciones
La longitud caracteristica del transporte electrico es el camino libre medio, que es del orden de algunos nm
A fines de los 80’s, los equipos de A. Fert and P. Grunberg,comenzaron a fabricar estructuras artificiales alternandocapas metalicas magneticas y no magneticas.
COMO SURGE LA INVESTIGACION EN NANO-ESPINTRONICA?
The Nobel Prize in Physics 2007"for the discovery of Giant Magnetoresistance"
Transporte polarizado en espin en nanostructuras
MAGNETORESISTENCIA GIGANTE (1988)
Arreglo Paralelo/Antiparalelo
++ Polarizacion en espin de las bandas electronicas al nivel de Fermi
++ Scattering dependiente de espin con impurezas y en lasinterfaces
MODELO A DOS CORRIENTES (propuesta inicial Mott 50’s)
Conduccion electrica se realiza a traves de dos canales, correspondientes a cada direccion de espin (↑↑↑↑ y ↓↓↓↓) respectivamente.
ρρρρ↑↑↑↑, ρρρρ↓↓↓↓: resistencia electrones mayoritarios/ minoritarios
j = j↑↑↑↑ + j↓↓↓↓ = (σσσσ↑↑↑↑ + σσσσ↓↓↓↓).E
Circuito resistivo equivalente
(a) (b)AFM• ρρρρ=(ρρρρ↑↑↑↑+ρρρρ↓↓↓↓)2/[2.(ρρρρ↑↑↑↑+ρρρρ↓↓↓↓)]
FM(b) ρρρρ = ρρρρ↑↑↑↑. ρρρρ↓↓↓↓/ (ρρρρ↑↑↑↑+ρρρρ↓↓↓↓)~ ρρρρ↓↓↓↓
ICIP
I
CPP
Multicapas acopladas Valvulas de espin Aleaciones granulares
Electronica de espin
ESPINTRONICA
Comparacion resultadosCPP y CIP en Co/Cu
DISPOSITIVOS A BASE DE OXIDOS
ELECTRONICA DE SEMICONDUCTORES + SPIN
DESPLAZAMIENTO DE PAREDES DE DOMINIO
algunos de los temas mas actuales
GMR en sistemas metalicos ‘88
JUNTURAS / FILTROS ‘92 AISLANTES
SEMICONDUCTORES
PAREDES DE DOMINIOS MAGNETICOS EN CINTAS ‘06
Los oxidos a traves de su composicion principal-mente, pero tambien utilizando sustratos parti-culares al fabricar las peliculas delgadas o multicapas, nos permiten diseñar nanomaterialescon propiedades fisicas especificas!!
ferroelectricidadferromagnetismo antiferromagnetismo
metalicidad superconductividad opticas
VENTAJAS: OXIDOS tipo PEROVSKITAS: eran materiales“revisitados” en esos años y con propiedades de interes para
integrar a las junturas….
ADEMAS
OXIDOS
ABO3
90s: Manganitas
R. Ushibara, Phys. Rev. B 51, 14103 (1995)
Amplia variedad de materiales con propiedades fisicas diferentespero estructuras cristalinas similaresEx. FM HALF METAL
Perspectivas optimas para emplear en dispositivos multifuncionales
EF
A/B
Mn
O
46.0 46.5 47.0 47.5 48.0 48.51k
10k
100k
1M
10M
100M
0.402 0.404 0.406 0.4080
2
4
6
LSMO (002)
STO (002)
m=5m=4
m=3m=2
m=1
2Θ (Degree)
I (a.
u)
t = 634 ÅR = 0.99976
Sin(Θ)
m
m Fit
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
0
4
8
12
16
20
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4
1E-4
1E-3
0.01
0.1
1
experiments fit
Λ = 71.3 Åθ
c = 0.34º
m2
sin2θ
m (10-3)
m=4m=3
m=2
m=1
tLSMO
= 38.7 Å
tLNO
= 33.0 Å
R
4Π sin Θ/λ
exp sim
M. Granada et al, Appl. Phys. Lett. 91, 072110 (2007)
multicapas La0.7Sr0.3MnO3/LaNiO3
44 46 48 50 52 54
0.40 0.44-2
0
2
4
dLSMO/LNO
(002)
-2-1
+5+4+3
+2+1
STO (002)
I (a.
u.)
2Θ (Degree)
Λ = 72.78 ÅR = 1
m
Sin(Θ)
m Fit
LaSrMnO
J.C. Rojas Sanchez et al, Appl. Surf. Science, (2007)
LNLS, multicapas SUPREX J. Guimpel
GMR en multicapas a base de oxidos
Tesis doctoradoMara Granada (2006)Juan Carlos Rojas Sanchez
Crecimiento de perovskitas como peliculas delgadas
JUNTURAS TUNEL La TMR depende del arreglo magnetico de loselectrodos
TMR = (Rap-Rp)/ Rp
TMR = (Rap-Rp)/ RpMAGNETORESISTENCIA TUNEL
Propuesta Julliere (70s)
P1 y P2 : polarizacionde los electrodos!
EfEn la energia de Fermi, solo se encuentran electrones con un solo tipo de espin!
TMR=2P1P2/(1-P1P2)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.010-4
10-2
100
102
104
TM
R
P HM
P=1
P= (DOS(↑↑↑↑) - DOS(↓↓↓↓))/(DOS(↑↑↑↑) + DOS(↓↓↓↓))
El desafio mas importante en estatematica reside en la eleccion de los materiales apropiados paraelectrodos y barreras y en la fabricacion de las junturas
Lat: 20µµµµmAltura pilar: 40nm
Litografia optica +Ataque ionico
IFM
I, V
FM
M. Sirena, CAB Bariloche
M. Jo, N. Mathur, N. Todd, M. Blamire,Phys. Rev. B, vol. 61, p. R14905, 2000.
M.Bibes, and A. Barthelemy, IEEE Trans. Electron Dev., Vol. X, 2006 14
LCMO/NdGaO3/LCMO
LSMO/LaO/LSMOTMR 630% a 77K
TMR 1000% a 4.2K
TUNNELING MAGNETORESISTANCE RATIO : TMR
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
-0.03
-0.02
-0.01
0.00
0.01
0.02
0.03
R/R
(0)
Campo magnético [Oe]
T = 5K
I = 1µA
100 150 200 250 3000,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
M/M
S
Temperature [K]
0 50 100 150 200 250 300
15
20
25
30
35
Res
ista
nce
[kΩ
]
Temperature [K]
H = 0H = 5T
LSMO/CaMnO/LSMOBariloche
Curvas I-V
-150 -100 -50 0 50 100 150
-10
-5
0
5
10
T=5K T=300K
I[µA
]
V[mV]-150 -100 -50 0 50 100 150
0
2
4
6
8
10
T=5K T=20K T=50K T=83K T=200K T=300K
I/V
[10-5
AV
-1]
V [mV]
2),(VV
V
TVJγβα ++=
De la dependencia en temperatura de β se deduce la altura de la barrera
Oxides for Spintronics A. Barthelemy, M. Bibes, IEEE Trans. Electron Devices vol. X, August 2006
Au/NiFeO/LSMO
FILTROS DE SPIN
La barrera aisladora es ferromagnetica => depende de espin!!
MF
MF
M
M
FA
FM/semiconductor/FM estructuras hibridas
S. Datta y B. Das, Appl. Phys. Lett. 56, 665 (1990)
PROPUESTA DE UN spin-FET
REQUERIMIENTOS PARA DISPOSITIVOS BASADOS EN SEMICONDUCTORES
i) Inyeccion eficiente de portadores polarizados en espin en el semiconductor.
iii) Deteccion efectiva de portadores polarizadosen espin
Dispositivos tipo GMR
Emision de luz polarizada circularmente
R
H
SMFM
I, V
FM
ii) Transporte eficiente de espin a traves del semiconductor
Tiempos de vida del espin ~ 100 ns
LDA De Jonge et al., Phys. Rev. B 60, 5529 (1999)
Sin embargo los resultados experimentales :Muy bajos MR !!!
*) calculos de la DOS en (Fe/ZnSe)x
dan cuenta de una importante polarizacion en espin al nivel
de Fermi del Fe en la interfaz FM/SC
Polarizacion en espin ~ 100%
Obstaculo principal para la inyeccion de espines desde unmetal ferromagnetico a un semiconductor metal (regimen difusivo) Solucion de la ecuacion de Boltzmann, para la geometria de transporteperpendicular, incluyendo efectos de acumulacion de espin en las interfaces FM/NM
MAGNETORESISTENCIA esta dada por:
Variables: polarizacion del FM (bulk), longitud de relajacion de espin en el SC y del FM,
conductividad del SC y del FM
La MR es significativa para conductividades similares del SC y del FM, altapolarizacion del FM y largas longitudes de relajacion de espin en el FM
G. Schmidt et al, Phys. Rev. B 62, R4790 (2000)
2
0
2
sc
2
fm
2
fm
2
2
P
PAP
xσ
σ
λ
β1βR
R
R−
∝−
A. Fert and H. Jaffres, Phys. Rev. B 64, 184420 (2001)
Alternativas:
A. Fert and H. Jaffres incluyeron en el modelo resistencias de interfaces dependientes de espin.
Propuesta para superar el inconveniente del pobre matcheo de conductividades: insercion de capas aislantes
PAREDES DE DOMINIOS
En los primeros experimentos realizados sobre cristalesde hierro (’68) se reconocio que las paredes de los dominios, eran fuente de resistencia electrica!Cabrera y Falicov proponen el ’74 un modelo para explicar esteefecto.
Pared transversal Vortice
MFM imagenes
Simulaciones
Ni81Fe19ANCHO: 300 nm, ESPESOR: 10nm
M. Hayashi et al, Phys. Rev. Lett. 97, 207205 (2006)
DESPLAZAMIENTO DE PAREDES DE DOMINIO INDUCIDO POR CORRIENTE ELECTRICA
Domain walls are created and moved by I injection Charge – spin interaction
Medicion de resistencia en un cable ferromagnetico
Deteccion de paredes de dominio a traves de cambios en la resistencia, ∆∆∆∆R =R-Rsat
Estado saturado
Se miden 4 valores diferentes !!La resistencia no cambia con Hinj una vez que este es mayor que un umbral
Porque se supone que uno veria ∆∆∆∆R cuando aparece una paredde dominio?Cambio de arreglos magneticos S-O (AMR)
M. Klaui, Appl. Phys. Lett. 81, 108 (2002)
Configuracion de la magnetizacionVortice
“Cebolla”
Anillos
Variacion de voltaje entre los contactos 1-2 cuando la muestra essometida a un campo magnetico aplicado en e plano del anillo
DW
OTROS: estudio e incorporacion de MATERIALES AVANZADOS en dispositivos
• MAGNETOS MOLECULARES• FERROELECTRICOS• MATERIALES MAGNETOSTRICTIVOS (MEMORIA DE FORMA)• MATERIALES MAGNETO-OPTICOS• ALAMBRES => CIRCUITOS• HARD-MAGNETIC FILMS
RESUMIENDO
HAY MUCHO POR HACER!!
DESARROLLO DE NUEVOS MATERIALES
ESTUDIO DE FENOMENOS CUANTICOS YDE BAJA DIMENSIONALIDAD
APLICACIONES
Bibliografia SPINTRONICS
• Giant steps with tiny magnets, A Barthélémy, A. Fert, R. Morel, L. Steren; Physics
World Noviembre 1994; Magnetoelectronics, Physics Today, April 1995; Spin polarized tunneling in ferromagnetic junctions; J. Magn. Magn. Mater. 200 (1999) 248-273
• Spintronics by By David D. Awschalom, Michael E. Flatté and Nitin Samarth, Scientific American June 2002.
• Magnetoelectronics enhance memory D. Hagele, M. Oestreich; Physics World, Diciembre 2003
• Magnetic Tunnel Junction Materials for Electronic Applications; www.tms.org/pubs/journals/JOM/0006/Slaughter/Slaughter-0006.html
• Spintronics: Fundamentals and applications; Reviews of modern physics, vol. 76, april 2004.
• Oxide spintronics, IEEE TRANS. ELECTRON. DEVICES, VOL. X, NO. XX, AUGUST 2006 ; M. Bibes and A. Barthelemy
• The phenomena of spin-filter tunnelling, J. of Physics: condensed matter, 19 (2007) 165202 (24pp) J. S Moodera, T. S Santos and T. Nagahama
Oscilaciones de la GMR:
policristales vs.
monocristales en
multicpaas Co/Cu
S.S.P. Parkin et al, Phys. Rev. Lett. 66, 2152 (1991)
Muestras policristalinas
Muestrasmonocristalinas
S.S.P. Parkin
Deposito por sputtering en MgO(100), MgO(110) y Al2O3 (0001) usando una capade Fe/Pt como semilla a 500C y Co/Cu at ~40C
HALF METALS (P=100%)
OXIDOS “HALF” HEUSLERS “FULL” HEUSLERS
La1-xSrxMnO3 x FM zone NiMnSb Co2MnAl
CrO2 CoMnSb Co2MnSn
Fe3O4 PtMnSb Co2MnGa
…. Co2MnSi
Ni- O
La
Mn - O
ROL FUNDAMENTAL DE LAS INTERFACES A/B o A/sustrato
en las propiedades estructurales
- Desacuerdo entre parametros de red => tensiones, defectos- Interdifussion- Steps
2DEG gas
Metal!!AlLaO3
SrTiO3
M. Bibes, Thales (France) 2008
PROPIEDADES INESPERADAS Ej: Transicion metal-aislante inducida por recocido en atmosfera de
oxigeno
50 100 150 200 2500
70
140
210
Temperature (K)
Increasing POX
(b) - MGO
Increasing POX
Mr
(em
u/c
m3 )
0
133
267
400(a) - STO
Mr (emu/cm3)
1E-3
0.01
0.1
1
10
100
Increasing POX
(a) - STO
ρρ ρρ (
ΩΩ ΩΩ.c
m)
100 200 3000.1
1
10
100
TC
(b) - MGO
ρρ ρρ (
ΩΩ ΩΩ.c
m)
Temperature (K)
Increasing POX
La0.96Sr0.04MnO3
FM!
Otras propiedades inesperadas….EXCHANGE BIAS en interfaces LSMO/LNO
-1000 -500 0 500 1000
-0.0002
0.0000
0.0002
M (em
u)
% (?X)
MH5kzfc
MH5KFC@3
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0
5
10
15
20
25
30
HE
HcIzq
HcDere
HcFC
T (K)
HE (G)
100
150
200
250
300
350
400
450
Hc (G
)
AFM
FM
YBaCuO/LSMO N. Haberkorn et al, APL
Efectos observados en interfaces FM/AFM :Anclaje de la fase FM cuando la muestra es enfriadaBajo campo magnetico por debajo de la TN de la capaAFMPrimer resultado reportado: Co/CoO
400 H (Oe)-40
400
110
H (kOe)-40 H // [ 011]
spin-valve
Multicapas GMR -Espaciadormetalico entre capasmagneticas-Corriente fluyeen el plano de las capas
Co95Fe5/Cu[110]
∆∆∆∆R/R~110% at RTField ~10,000 Oe
Py/Co/Cu/Co/Py
∆∆∆∆R/R~8-17% at RTField ~1 Oe NiFe + Co nanolayer
NiFeCo nanolayerCuCo nanolayerNiFeFeMn
H(Oe)
H(kOe)[011]
S.S.P. Parkin
EXCHANGE-BIAS
Resumiendo:
La MRG se origina en el cambio de resistividad de unamulticapa o sistema granular cuando se realinea el magnetismodel material con el campo
La MRG es producida por la estructura electronica y porlos scattering en el material.
La contribucion del material macizo respecto a las interfacesdepende del material.
Las condiciones de contorno son importantes para CIP-GMR