Modularea proprietatilor filmelor epitaxiale de La MnO 3 (LSMO) La 0.66 Sr 0.33 MnO Filme de LSMO nanostructurate Traian Petrisor Jr. Monitorizare pro

Transcriere

1 Modularea proprietatilor filmelor epitaxiale de La MnO 3 (LSMO) La 0.66 Sr 0.33 MnO Filme de LSMO nanostructurate Traian Petrisor Jr. Monitorizare proiect PCCE-ID106 Cluj-Napoca

2 Filme epitaxiale de LSMO in aplicatii pentru spintronica Polarizarea mare de spin a LSMO, P=80% (R. J. Soulen Jr. et al., Science 282, 85 (1998)) recomanda folosirea acestuia ca electrod FM in dispozitive spintronice; 4.2 K LSMO/CNT/LSMO LSMO/STO/LSMO/Co/CoO L.E. Hueso, A. Fert, N.D. Mathur. Nature 445, 410 (2007) M. Bowen, et al. Appl. Phys. Lett. 82,233 (2003) 1

3 Continutul de oxigen Mn 3+ O Mn 4+ Dublu schimb Feromagnetism Exista doua efecte ale incroporarii de oxigen in excess in LSMO inducerea de vacante cationice (La, Sr, Mn) modificarea raportului Mn 3+ /Mn 4+ Mn 3+ /Mn 4+ = x + 2d=(1-x-2d) x concentratia de Sr d excesul de O 2 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); 2

4 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% O 2 : (1-x)% Ar, x = 0, 3, 10, 25, 100 3

5 0% O 2 tratamentul termic rezulta in terasarea filmelor de LSMO; forma marginilor teraselor filmelor indica o modificare a compozitiei chimice a stratului terminal. 4

6 masuratorile simetrice 2q/w s-au efectuat pentru determinarea parametrului in afara planului filmului, c LSMO masuratorile asimetrice s-au efectuat pentru determinarea parametrului din planul filmului a LSMO (combinatie intre masuratori 2q/w si w scan Cartografierea Spatiului Reciproc) 5

7 parametrul de retea din planul filmului de LSMO indica o crestere tensionata a acestuia pe substratul de STO (001) (a LSMO = a STO ); scaderea parametrului de retea in afara planului, c LSMO, odata cu cresterea contintului de oxigen din gazul de tratament, confirma inducerea de Mn 4+ in excess, r Mn4+ < r Mn3+ ; pentru evaluarea influentei oxigenului asupra parametrului c LSMO s-a calculat parametrul de retea eliminand contributia tensiunii interne a filmului, tinand cont de factorul Poisson, n: 6

8 Film Substrate Distorsiunile locale ale retelei (ex.: dilocatii, vacante) Imprastiere difuza Lattice distortion around an edge dislocation (Diffuse scattering) 10 3 Mozaicitatea Imprastiere coerenta Mosaicity = f( Dw ) (Coherent scattering) Intensity (u.a.) % 25% 10% 3% 0% Imprastiere coerenta Imprastiere difuza ( o ) din analiza profilelor de difrcatie de tip w-scan se pot extrage informatii privind distorsiunile locale ale retelei filmelor de LSMO; Continut de oxigen (exces sau deficit) Vacante (oxigen sau cationice) Profil specific de difractie 7

9 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 structurale ale 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 oxigenare are loc formarea concomitenta a vacantelor cationice (La, Sr, Mn). 8

10 evolutia temperaturii Curie se produce in doua etape: crestere brusca x<10%, crestere lenta (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

11 considerand originea coercivitatii ca fiind ancorarea peretilor de domenii pe defecte evolutia H c 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, (2011) 10

12 Filme nanostructurate de LSMO Cresterea si caracterizarea nanostructurilor de LSMO Pentru studiile de crestere in functie de temperatura substratului s-au depus filme avand grosimea de 25 nm, la temperaturile de 650, 750, 800 si 825 o C 650 o C 750 o C morfologia filmelor confirma cresterea filmelor de LSMO in modul mixt 2D-3D, inaltimea nanostructurilor fiind mai mica decat grosimea filmelor 800 o C 825 o C 11

13 Filme nanostructurate de LSMO Cresterea si caracterizarea nanostructurilor de LSMO 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-insulelor de LSMO in functie de temperatura de depunere. 12

14 Filme nanostructurate de LSMO Cresterea si caracterizarea nanostructurilor de LSMO Terasarea substratelor de SrTiO 3 (001) conduce la ordonarea nanostructurilor de LSMO de-a lungul acestora Substrat STO (001) terasat Film de LSMO nanostructurat tratamentul de terasare: chimic 10 sec. NH 4 :HF (ph=5,5) termic 950 o C, 12 min. in O 2 uniformitate chimica; terasare; inaltimea teraselor (~4 Å) corespunde la a STO (a STO = Å) profilele de inaltime ale substratului (Figura), respectiv ale filmului indica limitarea cresterii insulelor de LSMO de catre largimea teraselor de STO. 13

15 Filme nanostructurate de LSMO Aplicatii ale filmelor nanostructurate de LSMO ancorarea magnetica a vortexurilor supraconductoare, in structuri de tipul feromagnet/supraconductor (La0.66Sr0.33MnO3/YBa2Cu3O7) forta magnetica de ancorare este localizata la nivelul nanostructurilor de LSMO Imagine TEM a structurii YBCO/LSMO B. S. Vasile (UPB) 14

16 Filme nanostructurate de LSMO Aplicatii ale filmelor nanostructurate de LSMO imaginea AFM a suprafetei filnului de LSMO corspunde cu cea a potentialului de ancorare magnetica la saturatie; vortexurile supraconductoare vor fi ancorate la limitele dintre nanostructurilor de LSMO; studiile efectuate confirma existenta unui potential de ancorare magnetic, eficient la campuri si temperaturi ridicate (relevante din punct de vedere al apicatiilor practice). T. Petrisor Jr. et al. (to be published) 15

17 Concluzii S-a demonstrat rolul concentratiei de oxigen in modularea proprietatilor filmelor epitaxiale de LSMO; S-a demonstrat posibilitatea obtinerii de nanostructuri de LSMO ordonate pe substraturi terasate de STO cu dimensiuni laterale modulabile; S-a aratat potentialul nanostructurilor de LSMO in ancorarea magnetica a vortexurilor supraconductoare. 16