Filme epitaxiale de tip aliaj Heusler si TiO dopat cu Co ... projects/Workshop/Prezentari... · Efectele dopajului si ale dimensionalitatii asupra proprietatilor magnetice, structurale

Filme epitaxiale de tip aliaj Heusler si TiO2 dopat cu Co cu aplicatii in spintronica

Efectele dopajului si ale dimensionalitatii asupra proprietatilor magnetice, structurale si morfologice si dinamicii de spin in micro si nanostructuri oxidice feromagnetice

Mihai Mihai GABORGABOR

aplicatii in spintronica

Monitorizare proiect PCCE-ID106Cluj-Napoca 4.04.2012

Baibich et al. Phys. Rev. Lett. 61 (1988) 2472 G. Binash et al., Phys. Rev. B, 39, 4828 (1989)

Nobel Prize Physics 2007

1988: Magnetorezistenta gigant

4/45SPINTRONICA domeniu de excelentace combina sarcina si spinulelectronului

G. Binash et al., Phys. Rev. B, 39, 4828 (1989)

P A

Probabilitatea de tunelare

Nr. de e- din P ce pot tunela:

Curentul tunel pentru fiecare canal de spin

Jonctiune magnetica tunel (JTM)

2

12 ( )P A A FT M D E

( )P FD E

( ) ( )J D E D E P Aspin

Jullière,Phys. Lett. A54 225 (1975)

Amplitudinea TMR ~ Polarizarea

para antipara

antipara

J JTMR

J

( ) ( )P F A FJ D E D E

( ) ( )( )

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )P A F P A F

P A

P A F P A F

D E D EP

D E D E

Polarizarea:

2

1P A

P A

P PTMR

P P

Efectul magnetorezistiv:

Performanta unei JTM depinde de amplitudinea TMR:

I. electrod metalic / bariera feromagnetica(FMO/NM) semimetal artificial P=100%

6/45

II. JMT cu electrozi cu P=100% - semimetalici

• Datorita asimetriei (hB= Φ↑ - Φ↓ ) inaltimiibarierei pentru cele doua orientari ale spinuluicurentul tunel este polarizat

Semimetal artificial Analizor

Rezultate numericeModel de electroni liberi cu bariera cu forma dependenta de tensiune

I. Jonctiuni de tip filtru de spin

7/45

100%SF

J JP

J J

pentru hB mare

dependenta de tensiune

Hamiltonian unielectronic dependent de spin:

Concluzii in urma calculelor numerice

se obtin caracteristicile optime de filtraj de spin pentru bariere cu inaltime medie >2.5 eV siasimetrie hB mai mare de >0.3 eV

Oxid Magnetic Dilutat – oxid dopat cu procente mici (<10%) de ioni 3d

TiO2 matrix

• TiO2 anatse dopat cu 7% Co feromagneticcu Tc > 400 K *

• banda interzisa de 3.2eV

* Yuji Matsumoto, et al. Science 291, 854 (2001)

Co ions

• banda interzisa de 3.2eV

ideal ca si bariera tunel feromagnetica

Problema – originea magnetismului !

interactiile de superschimb, dubluschimb sau RKKY nu pot explica existenta feromagnetismului

38/45

2 Filme epitaxiale de TiO2 dopat cu Co

• XRD au aratat cresterea epitaxiala a Co:TiO2pe SrTiO3 fara a indica prezenta altor faze (rutil, CoO, Co3O4, Co metalic , etc)

• Filme crescute prin RF sputtering

37/45 Imagini AFM ale filmelor de Co:TiO2 crescute (a) fara si (b) cu utilizarea unuistrat tampon de TiO2

a b

2 Filme epitaxiale de TiO2 dopat cu Co

37/45

Cicluri de histereza masurate la 5 K Spectre XPS indicand existenta a Co2+

Clusterii au un impact puternic asupra magnetismului filmelor de TiO2 dopate cu Co Natura clusterilor ??

cluster region

Imagini EDX

2 Filme epitaxiale de TiO2 dopat cu Co

• clusteri bogati in Co accompaniati de defecte structurale extinse

Charge-transfer ferromagnetism*

Transfer de electroni din rezervoarele de sarcina (ionii 3d) spre benzile energetice indusede defecte conduce la indelinirea criteriului lui Stoner si la aparitia feromagnetismului

*JMD Coey, et. al. New Journal of Physics 12 (2010) 053025

benzile indusede defecte

Rezervor de sarcinaAplicabilitate limitata in domeniul spintronicii

42/45

Performanta unei JTM depinde de amplitudinea TMR:

I. electrod metalic / bariera feromagnetica(FMO/NM) semimetal artificial P=100%

6/45

II. JMT cu electrozi cu P=100% - semimetalici

= 100%

Banda interzisa pentru starile minoritare

Feromagnet semimetalic polarizat 100%:

9/45JTM cu electrozi semimetalici

2

2

2

1

PTMR

P

Aliajul Heusler semimetalic Co2FeAl (CFA)

Heusler alloysLaSrMnO3

Fe3O4CrO2

Heusler alloysLaSrMnO3

Fe3O4CrO2

• Co2FeAl (CFA) Heusler structura L21 apartinand grupului spatial 225 (Fm-3m); temperatura Curie ridicata > 700 K caracter magnetic localizat (4.96μB/f.u.)

• structura de benzi rezolvata in spin (Wien 2k ab-initio code LSDA+U formalism) Gap-ul minoritar o consecinta a hibridizarii

2Aliajul Heusler semimetalic Co2FeAl (CFA)

majority minority

12/45

aMgO = 0.421 nm

a = 0.573 nm

epitaxia CFA pe MgO (001) : epitaxia CFA pe MgO (001) :

2Filme epitaxiale de Co2FeAl (CFA)

• Filme crescute prin RF sputtering

aCFA = 0.573 nm

Calitatea cristlina se imbunatateste cu cresterea temperaturii de tratament termic

2Filme epitaxiale de Co2FeAl (CFA) - proprietati magnetice

Anizotropie magnetica complexa Proprietati magnetice dinamice

Strip-line Ferromagnetic Resonance (FMR)de la 6 Ghz la 26.5GHz

Factor de atenuare (damping) 3.8x10-3.

Importanta extrema pentruaplicatii de inalta frecventa

40/45

Structuri JTM crescute prin sputtering-MBE

2JTM epitaxiale pe baza de Co2FeAl (CFA)

33/45

flat epitaxial layer

XRD indica epitaxia stack-ului HRTEM – grad de cristalinitate ridicat

flat epitaxial layer

JTM micro fabricare prin litografie UV

Al/Nb top contact Al/Nb bottom contacttop contact

bottomcontact

10 μm MTJ stack

2JTM epitaxiale pe baza de Co2FeAl (CFA)

JTM Masuratori de magneto-transport

valori ale TMR relativ scazute farasemnatura efectelor de transport coerent

Necesara optimizarea in continuare a proprietatilor structurale, a chimieiinterfetelor etc., a structurii multistrat.

Articole publicate sau in curs de publicare:

G. Ortiz, M. S. Gabor, T. Petrisor, Jr., F. Boust, F. Issac, C. Tiusan, M. Hehn, and J. F. Bobo, Static and dynamic magnetic properties of epitaxial Co2FeAl Heusler alloy thin films, J. Appl. Phys. 109, 07D324 (2011);

M.S. Gabor, T. Petrisor Jr., C. Tiusan, M. Hehn, T. Petrisor,Magnetic and structural anisotropies of Co2FeAl Heusler alloy epitaxial thin films, Phys. Rev. B 84, 134413 (2011)

M.S. Gabor, T. Petrisor Jr, C. Tiusan, M. Hehn, B.S. Vasile, T. PetrisorM.S. Gabor, T. Petrisor Jr, C. Tiusan, M. Hehn, B.S. Vasile, T. PetrisorInfluence of a TiO2 buffer layer on the magnetic properties of anatase Co:TiO2 thin filmsAccepted for publication in J. Appl. Phys.

M. S. Gabor, C. Tiusan, T. Petrisor Jr., M. Hehn, E. Snoeck, T. PetrisorReduction of spin polarization by incoherent tunneling in Co2FeAl/MgO/CoFe magnetictunnel junctions with thick MgO barriersSubmitted to Phys. Rev. B , http://arxiv.org/abs/1111.6442