Gonzalez Sutter, Jesús I. (2021) Estudio de las propiedades estructurales, magnéticas y de transporte en multicapas multiferroicas. Influencia de las tensiones y del desorden estructural. / Studyof structural, magnetic and transport properties in multiferroic multilayers. Influence of stress and structural disorder. Tesis Doctoral en Física, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
En los últimos años se han estudiado variados fenómenos y propiedades físicas de muestras en base a óxidos multiferroicos. Sin embargo, aún no se comprenden completamente cómo afectan las propiedades estructurales a los fenómenos físicos intrínsecos de estos sistemas y su potencial interés desde el punto de vista de la ciencia básica y su posible aplicación en tecnología. En el presente trabajo se realiza una investigación de la optimización y estudio de la calidad de las muestras de tipo “multiferroicos compuestos artificiales” en base a óxidos de manganeso y perovskitas ferroeléctricas, para posteriormente relacionar las características de las muestra con sus propiedades magnéticas y de transporte. El objetivo fundamental de la tesis es estudiar la correlación entre las propiedades estructurales y las propiedades magnéticas y de transporte en las superredes multiferroicas basadas en óxidos de manganeso. Esta correlación se da principalmente en las interfases, donde las características estructurales, tales como las tensiones biaxiales, el desorden y defectos estructurales afectan a las propiedades magnéticas y de transporte. Para este efecto, se diseñaron y fabricaron dos series de multicapas de distinto espaciador ferroeléctrico (FE), Ba_0;25Sr_0;75TiO_3 (BSTO) y BaTiO_3 (BTO), eligiendo los compuestos de forma tal que los parámetros de red de los mismos fuesen similares o significativamente diferentes de la manganita ferromagnética (FM), La_0;8Ba_0;2MnO_3 (LBMO), respectivamente. Se esperó de esta manera poder controlar o modificar el modo de crecimiento y las características estructurales de cada serie de muestras. Las muestras con BSTO mostraron un crecimiento coherente con predominio de las tensiones biaxiales en las superredes. Por otro lado, debido a la gran diferencia entre los parámetros de red de las superredes con BTO, las tensiones biaxiales relajan mediante defectos estructurales en las interfases, induciendo un predominio de los mismos en las propiedades físicas de las muestras. En la primera parte de la tesis se presenta una caracterización estructural de las muestras que permitió evaluar la calidad y propiedades de las superredes variando el espesor de capa individual. Para esto se utilizaron técnicas de reflectometría (RRX), topografía en microscopio de fuerza atómica (AFM), microscopio de fuerza atómica conductora (CAFM), de difracción de rayos X (DRX) y de microscopía electrónica de barrido y transmisión (SEM y TEM). Las técnicas no destructivas sobre las muestras (RRX, AFM y DRX) permitieron estudiar espesores, calidad topográfica y la cohei rencia cristalográfica de las muestras. Las muestras, en general, crecen con una alta calidad y texturadas en la dirección cristalina impuesta por el sustrato. Sin embargo, se halló que sistemáticamente las superredes basadas en BTO contenían una mayor presencia de defectos y desórdenes estructurales respecto a las superredes basadas en BSTO, como consecuencia de mecanismos de relajación de la energía elástica acumulada en los sistemas de BTO. Para estudiar la influencia del proceso de oxigenación en la calidad de las superredes se estudió, mediante CAFM, la conducción a través de capas ultra-delgadas de BSTO, determinando que la calidad dieléctrica del material es fuertemente dependiente de la oxigenación. Las vacancias de oxígeno empobrecen las características aislantes de los materiales. Se presentó un modelo fenomenológico para estudiar estos efectos y se estudió la conductividad de las muestras para distintos espesores de capa de BSTO. Finalmente, las muestras fueron estudiadas química y morfológicamente mediante las técnicas de microscopía electrónica, encontrándose morfología capa por capa, presentando una clara distinción entre capas para compuestos ferromagnéticos y ferroeléctricos, más allá de la interdifusión, defectos y rugosidades localizadas mayoritariamente en las interfases. En la segunda parte de la tesis se investigaron las propiedades magnéticas y de transporte de las multicapas y se relacionaron con las características estructurales de las mismas. Esto se llevó a cabo utilizando un magnetómetro SQUID y equipos de transporte eléctrico, en ambos casos con la posibilidad de variar temperatura y campo magnético. Para el estudio de las propiedades magnéticas se realizaron barridos de temperatura y en función de campo, y posteriormente se relacionaron con el efecto de las tensiones y desorden deducidos a partir de las propiedades estructurales. Se observó que las propiedades magnéticas dependen en mayor medida de las tensiones biaxiales inducidas por la diferencia entre los parámetros de red de los compuestos y el sustrato que de los defectos estructurales como dislocaciones o vacancias. Análogamente para las propiedades de transporte se realizaron barridos de temperatura y de campo, obteniéndose curvas de resistividad y magnetorresistencia. Se halló que para el transporte de estos sistemas, tanto las tensiones como el desorden estructural, afectan significativamente las propiedades resistivas de los sistemas, de manera consistente con los resultados obtenidos para el análisis de las propiedades magnéticas. De acuerdo a lo esperado, se observa que las tensiones biaxiales son dominantes en las superredes con BSTO y los defectos son dominantes en superredes con BTO. La menor relevancia de los defectos en las propiedades magnéticas respecto a las de transporte se adjudicó a que el primero corresponde a un fenómeno colectivo determinado por efectos volumétricos, mientras que el segundo es mucho más sensible a las interacciones individuales en cada región de las capas magnéticas. Adicionalmente se estudió el efecto de la localización de los portadores de carga según las características de las muestras, encontrándose que en las muestras de espesores magnéticos pequeños y muestras con alta influencia del desorden, los portadores de carga se encuentran más localizados. A bajas temperaturas la energía para deslocalizar a los portadores de carga disminuía al menos en un orden de magnitud, respecto al régimen de altas temperaturas, debido a que en este rango de temperaturas suelen ocurrir saltos de los portadores de carga entre volúmenes de localización. Finalmente se correlacionaron las características magnetorresistivas con el desorden de los sistemas. Los sistemas altamente desordenados terminaban en comportamientos con altos valores de magnetorresistencia a muy bajas temperaturas. Esto ocurriría porque el sistema no logra ordenarse completamente con la reducción de la energía térmica y mantiene una alta capacidad de ordenamiento bajo la influencia de un campo magnético externo. El diseño de superredes artificiales basadas en óxidos de manganeso permitió correlacionar las propiedades estructurales, magnéticas y de transporte de manera más controlada. La selección de los compuestos con diferencias características en su parámetro de red permitió la fabricación de muestras con diferentes modos de crecimiento y discriminar la influencia de las tensiones y los defectos estructurales en las propiedades magnéticas y de transporte en los sistemas multicapa. Los resultados obtenidos son interesantes para comprender mejor la física de estos sistemas así como su posible aplicación en el desarrollo de nuevos dispositivos tecnológicos.
Resumen en inglés
In recent years, several phenomena and physical properties of samples based on multiferroic oxides have been studied. However, it is not yet fully understood how structural properties affect the intrinsic physical phenomena of these systems and their potential interest from the point of view of basic science and its possible application in applied technology. In the present work an optimization and study of the quality of the samples of “artificial multiferroic compounds” type, based on manganese oxides and ferroelectric perovskites, is carried out, and then the characteristics of the samples are related with their magnetic and transport properties. This correlation occurs mainly at interphases, where structural characteristics, such as biaxial stresses, disorder, and structural defects affect magnetic and transport properties. For this effect, two multilayer series were designed and fabricated for different ferroelectric spacer (FE), Ba_0:25Sr_0:75TiO_3 (BSTO) and BaTiO_3 (BTO), choosing the compounds such that their lattice parameters were similar or significantly different from ferromagnetic manganite (FM), La_0:8Ba_0:2MnO_3 (LBMO), respectively. In this way it was expected to control or modify the growth mode and the structural characteristics of each series of samples. The samples with BSTO showed a coherent growth with a predominance of biaxial stresses in the superlattices. On the other hand, due to the great difference between the lattice parameters of the superlattices with BTO, the biaxial stresses relax through structural defects in the interphases, inducing a predominance of disorder in the physical properties of the samples. In the first part of the thesis, a series of structural characterization of the samples is presented, which allowed evaluating the quality and properties of the superlattices by varying the thickness of the individual layer. For this, reflectometry (RRX), atomic force microscope topography (AFM), conductive atomic force (CAFM), X-ray diffraction (XRD) and transmission and scanning electron microscopy (SEM and TEM) techniques were used. The non-invasive and non-destructive techniques on the samples (RRX, AFM and DRX) made it possible to study thickness, topographic quality and the crystallographic coherence of the samples. The samples, in general, grow with a high quality and are textured in the crystalline direction imposed by the substrate. However, it was found that BTO-based superlattices systematically contained a greater presence of defects and structural disorder compared to BSTO-based super lattices, as a consequence of relaxation mechanisms of the elastic energy accumulated in BTO systems. To study the influence of the oxygenation process on the quality of the superlattices, the conduction through ultra-thin layers of BSTO was studied using CAFM, determining that the dielectric quality of the material is strongly dependent on oxygenation. Oxygen vacancies degrade the insulating characteristics of materials. A phenomenological model was presented to study these effects and the conductivity of the samples was studied for different BSTO layer thicknesses. Finally, the samples were studied chemically and morphologically using electron microscopy techniques, finding layer by layer morphology, presenting a clear distinction between layers for ferromagnetic and ferroelectric compounds, beyond the interdiffusion, defects and roughness located mainly at the interphases. In the second part of the thesis, the magnetic and transport properties of the multilayers were investigated and related to their structural characteristics. This was carried out using a SQUID magnetometer and electrical transport equipment, in both cases with the possibility of varying temperature and magnetic field. For the study of the magnetic properties, temperature and field scans were carried out and later they were related to the effect of stresses and disorder deduced from the structural properties. It was observed that the magnetic properties depend to a greater extent on the biaxial stresses induced by the difference between the lattice parameters of the compounds and the substrate rather than structural defects such as dislocations or vacancies. Analogously, for the transport properties, temperature and field scans were carried out, obtaining resistivity and magnetoresistance curves. It was found that for the transport of these systems, both stresses and structural disorder significantly affect the resistive properties of the systems, consistent with the results obtained for the analysis of magnetic properties. According to expectations, it is observed that the biaxial stresses are dominant in superlattices with BSTO and defects dominate in superlattices with BTO. The lower relevance of the defects in the magnetic properties with respect to those of transport was attributed to the fact that the first corresponds to a collective phenomenon determined by volumetric effects, while the second is much more sensitive to individual interactions in each region of the magnetic layers. Additionally, the effect of the localization of the charge carriers was studied according to the characteristics of the samples, finding that in the samples with small magnetic thicknesses and samples with high influence of disorder, the charge carriers are more localized. At low temperatures, the energy to delocalize the charge carriers decreased by at least one order of magnitude, with respect to the high temperature regime, due to the fact that, in this temperature range, jumps of the charge carriers usually occur between locating volumes. Finally, the magnetoresistive characteristics were correlated with the disorder of the systems. Highly disordered systems end up in behaviors with high magnetoresistance values at very low temperatures. This would occur because the system fails to order completely with the reduction of thermal energy and maintains a high ordering capacity under the influence of an external magnetic field. The design of artificial superlattices based on manganite oxides made it possible to correlate structural, magnetic and transport properties in a more controlled way. The selection of compounds with characteristic differences in their lattice parameter allowed the fabrication of samples with different growth modes and to discriminate the influence of stresses and structural defects on magnetic and transport properties in multilayer systems. The results obtained are interesting to better understand the physics of these systems as well as their possible applications in the development of new technological devices.
| Tipo de objeto: | Tesis (Tesis Doctoral en Física) |
|---|---|
| Palabras Clave: | [Multilayers; Multicapas; Multiferroics; Multiferroicos; Coherent growth; Crecimiento coherente; Colossal magnetorresistance; Magnetorresistencia colosal; Double exchange; Doble intercambio; Manganites; Manganitas] |
| Materias: | Física > Materia condensada Química > Materiales |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Ciencias de materiales > Resonancias magnéticas |
| Código ID: | 974 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 06 Sep 2021 12:33 |
| Última Modificación: | 06 Sep 2021 12:33 |
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