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