Electron Beam Lithography patterning of superconducting and magnetic nanostructures for novel optical and spintronic devices

In this thesis novel, high-end superconducting and spintronic devices have been fabricated and characterized. In summary, the proposed work has been focused on the realization of nanowires, and more generally nanostructures, using the Electron Beam Lithography. Such a technology offers a powerful solution for nanofabrication able to conjugate spatial resolution, operation flexibility, and costs. Two main research fields has been explored: superconductive nanowires for advanced optical detection and nanostructures for magneto-resistance based devices

Magnetic Tunnel Junctions based on spinel ZnxFe3-xO4: Magnetic Tunnel Junctions based onspinel ZnxFe3-xO4

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit magnetischen Tunnelkontakten (magnetic tunnel junctions, MTJs) auf Basis des Oxids Zinkferrit (ZnxFe3-xO4). Dabei soll das Potential dieses Materials durch die Demonstration des Tunnelmagnetowiderstandes (tunnel magnetoresistance, TMR) in zinkferritbasierten Tunnelkontakten gezeigt werden. Dazu wurde ein Probendesign für MTJs auf Basis der „pseudo spin valve“-Geometrie entwickelt. Die Basis für dieseStrukturen ist ein Dünnfilmstapel aus MgO (Substrat) / TiN / ZnxFe3-xO4 / MgO / Co. Dieser ist mittels gepulster Laserabscheidung (pulsed laser deposition, PLD) hergestellt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften der Dünnfilme untersucht. Des weiteren wurden die fertig prozessierten MTJ-Bauelemente an einem im Rahmen dieser Arbeit entwickeltem und aufgebautem TMR-Messplatz vermessen. Dabei ist es gelungen einen TMR-Effekt von 0.5% in ZnxFe3-xO4-basierten MTJs nachzuweisen. Das erste Kapitel der Arbeit gibt eine Einführung in die spintronischen Effekte Riesenmagnetowiderstand (giant magnetoresistance, GMR) und Tunnelmagnetowiderstand (TMR). Deren technologische Anwendungen sowie die grundlegenden physikalischen Effekte und Modelle werden diskutiert. Das zweite Kapitel gibt eine Übersicht über die Materialklasse der spinellartigen Ferrite. Der Fokus liegt auf den Materialien Magnetit (Fe3O4) sowie Zinkferrit (ZnxFe3-xO4). Die physikalischen Modelle zur Beschreibung der strukturellen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften dieser Materialien werden dargelegt sowie ein Literaturüberblick über experimentelle und theoretische Arbeiten gegeben. Im dritten Kapitel werden die im Rahmen dieser Arbeit verwendeten Probenpräparations- und Charakterisierungsmethoden vorgestellt und technische Details sowie physikalische Grundlagen erläutert. Die Entwicklung eines neuen Probendesigns zum Nachweis des TMR-Effekts in ZnxFe3-xO4-basierten MTJs ist Gegenstand des vierten Kapitels. Die Entwicklung des Probenaufbaus sowie die daraus resultierende Probenprozessierung werden beschrieben. Die beiden letzten Kapitel befassen sich mit der strukturellen, elektrischen und magnetischen Charakterisierung der mittels PLD abgeschiedenen Dünnfilme sowie der Tunnelkontaktstrukturen

Novel Antiferromagnets for Spintronic Devices

Spin electronic or spintronic devices which are used in hard disk drive (HDD) read heads are expected to replace the current silicon based transistor technology used in volatile memories. A prime example for the net advantage of employing spin rather than electric charge manipulation is found in the newly developed magnetic random access memory (MRAM) which is proposed as a replacement for the dynamic random access memory (DRAM) based on three terminal metal-oxide-semiconductor (MOS) devices. Besides the decrease of energy consumption by a factor three arising from manipulating electron angular momentum, the magnetic memories are non-volatile hence they do not require constant power to store information. This allows for additional energy saving due to data stability when the storage device is powered off

Fabrication and characterization of nanostructured half- metals and diluted magnetic semiconductors

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Structural and Magnetic Characterisation of Heusler Alloy Thin Films under Optimised Growth Condition for Spintronic Devices

Spintronic devices have been playing an important role in magnetic storage and memory applications for the last 20 years. For such a trend to continue, it is critical to develop new magnetic materials, in particular, in the context of antiferromagnetic spintronics, materials with high Curie temperatures, large spin polarisations, and low saturation magnetisations. In this study, three Heusler alloys, Mn2VSi, Mn3Ga and Mn3Ge have been investigated and experimental results have been carried out. 80 nm thick polycrystalline Mn2VSi films have been deposited on silicon substrates with an 18 nm silver seed layer and a 3 nm aluminium capping layer using a sputtering system. The best quality film is obtained for 723 K growth. The Mn2VSi thin film is verified to be antiferromagnetic, where an exchange bias is found when a 3 nm ferromagnetic CoFe layer has been deposited on the top of the Mn2VSi layer. The exchange bias is measured to be 34 Oe at 100 K. The blocking and thermal activation temperature of Mn2VSi is estimated to be below 100 K and within a range between 100 K and 448 K, respectively. Polycrystalline Mn3Ga layers with thickness in the range from 3-20 nm were deposited at room temperature. To investigate the onset of exchange-bias, a ferromagnetic Co0.6Fe0.4 layer (3.3-9 nm thick) capped with 5 nm Ta, were subsequently deposited. X-ray diffraction measurements confirm the presence of Mn3Ga (0002) and (0004) peaks characteristic of the D019 antiferromagnetic structure. The 6 nm thick Mn3Ga film shows the largest exchange bias of 430 Oe at 120 K with a blocking temperature of 225 K. The blocking temperature is found to decrease with increasing Mn3Ga thickness. These results in combination with X-ray reflectivity measurements confirm that the quality of the Mn3Ga/Co0.6Fe0.4 interface controls the exchange bias, with the sharp interface with the 6-nm-thick Mn3Ga inducing the largest exchange bias. The magneto-crystalline anisotropy for 6 nm thick Mn3Ga thin film sample is calculated to be Polycrystalline Mn3Ge samples with same stack layer structure as Mn3Ga films were also studied. A growth temperature of 773 K promotes the crystallisation of the 100 nm thick Mn3Ge layer showing a D019 antiferromagnetic structure. The exchange bias cannot be observed due to the potential interlayer diffusion during high temperature sputtering

USE OF HIGH SURFACE NANOFIBROUS MATERIALS IN MEDICINE

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