Nuevos óxidos metálicos ferromagnéticos

Consultable des del TDXDesde la invención del transistor en la década del 40', los dispositivos electrónicos han basado su funcionamiento en la manipulación de la carga del electrón para almacenar o procesar información. Sin embargo, desde hace algunos años se viene realizando un intenso trabajo de investigación destinado a la implementación de una nueva generación de dispositivos, denominados de electrónica de espín o espintrónica, que además de aprovechar la carga del electrón puedan hacer uso de su grado de libertad de espín. Entre los materiales con potencial aplicación en dispositivos de espintrónica hay que mencionar: i) los materiales ferromagnéticos con una banda de conducción completamente polarizada en espín, tales como las manganitas, las dobles perovskitas, o la magnetita; y ii) los semiconductores magnéticos diluidos (DMS), obtenidos al dopar con cationes magnéticos como el Co o el Mn semiconductores standard como ZnO, SnO2, o TiO2. En esta Tesis se ha abordado el estudio de ambas familias de materiales. En primer lugar se estudiaron las propiedades estructurales, magnéticas, eléctricas y espectroscópicas de distintas series de dobles perovskitas de tipo A2FeMoO6 (A=Sr, Ca). Estos materiales presentan una temperatura de Curie por encima de temperatura ambiente (TC~400K) y poseen una banda de conducción polarizada en espín, por lo que han generado un enorme interés en los últimos años en la comunidad científica. En particular, nuestro estudio se centró en el desarrollo de métodos que permitan elevar la TC de estos materiales, ampliando de esta manera el rango de operabilidad en temperatura de posibles aplicaciones. Se han explorado exitosamente dos formas de elevar la TC de las dobles perovskitas: el dopaje electrónico y la introducción de interacciones antiferromagnéticas locales que refuerzan el ferromagnetismo de largo rango. Sin embargo, el precio a pagar por el aumento de TC es, en ambos casos, un aumento importante del desorden catiónico y una crítica reducción de la magnetorresistencia del material, por lo que sus propiedades funcionales se ven severamente afectadas. En paralelo con el trabajo descrito anteriormente, y según se recoge en la segunda parte de esta Tesis, se llevó a cabo un intenso esfuerzo en colaboración con la industria destinado a desarrollar un sensor magnético sin contactos basado en capas gruesas magnetorresistivas de doble perovskita. Finalmente, la tercera parte de esta memoria describe los estudios realizados en muestras policristalinas nanométricas del DMS TM:ZnO (TM:Co,Mn). En particular, se ha prestado especial atención a la determinación del carácter (intrínseco o extrínseco) del ferromagnetismo observado en algunas de las muestras. El análisis realizado permite otorgar a dicho ferromagnetismo un carácter intrínseco, donde la presencia de defectos puntuales tiene un rol fundamental en su estabilización. Adicionalmente, se propone que dicho ferromagnetismo está probablemente asociado a una capa superficial de algunos nanómetros de espesor. Se ha desarrollado una metodología que permite controlar el ferromagnetismo de estos materiales mediante tratamientos térmicos a bajas temperaturas en atmósferas adecuadas, de forma que somos capaces de «encender» y «apagar» el ferromagnetismo tanto de Mn:ZnO como de Co:ZnO. Los resultados obtenidos son un paso importante en la comprensión y control de la interacción magnética de estos complejos e interesantes sistemas.Since the invention of the transistor in the late 40's, electronic devices have taken advantage of the electronic charge in order to process or store information. However, it has been recently proposed that, besides the electronic charge, the spin of the electrons could also be used for similar purposes. This field of research has been called spin electronics or spintronics, and is intended to lead to a new generation of devices with improved or even new functionalities with respect standard electronic devices. Among the materials with potential for spintronics we could mention: i) ferromagnetic materials displaying a fully polarized conduction band, such as manganites, double perovskites or magnetite; and ii) diluted magnetic semiconductors systems, consisting in standard semiconductors such as ZnO, TiO2 or SnO2 doped with small amounts of magnetic ions such as Mn or Co. This Thesis deals with the study of both families of materials. In the first place, we have focused on the study of the structural, magnetic, electrical and spectroscopic properties of several double perovskitas series of the type A2FeMoO6 (A=Sr, Ca), which display Curie temperatures (TC) above room temperature (~400K) and present a fully spin polarized conduction band. These two fact make them very promising for device applications, and justify the important attention that have generated in the scientific community during the past years. In particular, our study was focused on the development of different approaches to increase the TC of double perovskites, which would enlarge the temperature working range of potential applications. We have successfully explored two approaches to increase TC: electron doping and the introduction of local antiferromagnetic interactions in the Fe-Mo sub-lattice, which reinforce the overall ferromagnetism. However, we have found that the aforementioned TC rise is accompanied in all cases by a strong increase of the cationic disorder and a critical reduction of the magnetoresistance, being seriously affected in this way the functional properties of the material. We should remark that the performed studies allowed us to get a good insight into the fundamental physics of these materials. In addition, we have been also involved in a joint project with industrial partners aimed to develop a contact-less magnetic sensor based on thick double perovskite films. This work is described in the second part of this manuscript. The third part of the Thesis deals with the characterization of TM:ZnO (TM:Co, Mn) nanopowders. Special attention was paid to determine the character (intrinsic or extrinsic) of the ferromagnetism observed in some of the studied samples. We propose this ferromagnetism as being intrinsic, and we suggest that it is probably associated to a surface effect. Moreover, we have found that the ferromagnetism can be controlled (switched «on» and «off») by means of low temperature annealings under suitable atmospheres, constituting a phenomenology consistent with a ferromagnetic interaction mediated by point-defects. We believe that the obtained results could be of importance in order to get a better understanding and control of the ferromagnetism of these fascinating DMS's, paving the way for the achievement of materials with improved properties and suitable for practical spintronics devices

Magnetism and electrode dependant resistive switching in Ca-doped ceramic bismuth ferrite

Here we report on the preparation and structural, magnetic and electrical characterization of BiFeO 3 and Bi 0.9Ca 0.1FeO 3 ceramic multiferroic samples. We suggest that Ca-doping creates oxygen vacancies and destabilizes the BiFeO 3 spiral magnetic structure. We also study resistive switching effects in Bi 0.9Ca 0.1FeO 3 with metallic electrodes, finding that the appearance of the effect is dependant on the fabrication procedure of the metallic electrode. On the basis of these observations, we critically revise some assumptions in currently available models of resistive switching of complex oxides.Fil: Rubi, Diego. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín; ArgentinaFil: Marlasca, F. G.. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Reinoso, M.. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Bonville, P.. No especifíca;Fil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Resistive switching in ceramic multiferroic Bi 0.9Ca 0.1FeO 3

We report resistive switching effects in polycrystalline samples of the multiferroic Bi 0.9Ca 0.1FeO 3 with silver electrodes. Mössbauer spectroscopy shows that upon Ca-doping the Fe remains in a 3 valence state, suggesting charge compensation through the creation of large amounts of oxygen vacancies. Electrical characterization shows that the oxide/metal resistance can be switched between high and low resistance states by applying voltage pulses. This process was shown to be forming free and a strong relaxation after switching was found. We rationalize our results by considering oxygen vacancies migration to and from the metal-oxide interface, resulting in variations of the Schottky potential barrier height that modulate the interface resistance.Fil: Rubi, Diego. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Gomez-Marlasca, Fernando. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Bonville, Pierre. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Colson, Dorothee. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Levy, Pablo Eduardo. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área Investigaciones y Aplicaciones no Nucleares; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentin

Oxygen vacancies dynamics in redox-based interfaces: Tailoring the memristive response

Redox-based memristive devices are among the alternatives for the next generation of non-volatile memories, but also candidates to emulate the behavior of synapses in neuromorphic computing de- vices. Nowadays it is well established that the motion of oxygen vacancies at the nanoscale is the key mechanism to reversibly switch metal/insulator/metal structures from insulating to con- ducting, i.e. to accomplish the resistive switching effect. The control of oxygen vacancies dynamics has direct effects on the resistance changes, and therefore on different factors of memristive devices such as switching speed, retention, endurance or energy consumption. Advances in this direction demand not only experimental techniques that allow measuring oxygen vacancies profiles, but also theoretical studies that shed light on the involved mechanisms. Along these goals, we analize the oxygen vacancies dynamics in redox interfaces formed when an oxidizable metallic electrode is in contact with the insulating oxide. We show how the transfer of oxygen vacancies can be manipulated by using different electrical stimuli protocols that allow optimizing device figures such as ON/OFF ratio or writing energy dissipation. Analytical expressions for both high and low resistance states are derived in terms of total oxygen vacancies transferred at the interface. Our predictions are validated with experiments performed in Ti/La 1/3 Ca 2/3 MnO 3 redox memristive devices.Fil: Ferreyra, Cristian Daniel. Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología; ArgentinaFil: Roman Acevedo, Wilson Stibens. Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología; ArgentinaFil: Gay, Ralph. No especifíca;Fil: Rubi, Diego. Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología; ArgentinaFil: Sánchez, María José. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. - Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología; Argentin

Concurrent ionic migration and electronic effects at the memristive TiOx/La1/3Ca2/3MnO3-x interface

The development of reliable redox-based resistive random-access memory devices requires understanding and disentangling concurrent effects present at memristive interfaces. We report on the fabrication and electrical characterization of TiOx/La1/3Ca2/3MnO3-x microstructured interfaces and on the modeling of their memristive behavior. We show that a careful tuning of the applied external electrical stimuli allows controlling the redox process between both layers, obtaining multilevel non-volatile resistance states. We simulate the oxygen vacancies dynamics at the interface between both oxides, and successfully reproduce the experimental electrical behavior after the inclusion of an electronic effect, related to the presence of an n-p diode at the interface. The formation of the diode is due to the n- and p-character of TiOx and La1/3Ca2/3MnO3-x, respectively. Our analysis indicates that oxygen vacancies migration between both layers is triggered after the diode is polarized either in forward mode or in reverse mode above breakdown. Electrical measurements at different temperatures suggest that the diode can be characterized as Zener-type. The advantages of our junctions for their implementation in RRAM devices are finally discussed.Fil: Roman Acevedo, Wilson Stibens. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Ferreyra, Cristian Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Sánchez, M.J.. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Gerencia del Área de Energía Nuclear. Instituto Balseiro; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Bariloche; ArgentinaFil: Acha, Carlos Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Departamento de Física; ArgentinaFil: Gay, R.. Centro de Investigación Cooperativo nanoGUNE; EspañaFil: Rubi, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentin

Key Role of Oxygen-Vacancy Electromigration in the Memristive Response of Ferroelectric Devices

Ferroelectric memristors are intensively studied due to their potential implementation in data storage and processing devices. In this work we show that the memristive behavior of metal-ferroelectric-oxide-metal devices relies on the competition of two effects: the modulation of metal-ferroelectric interface barriers by the switchable ferroelectric polarization and the electromigration of oxygen vacancies, with the depolarizing field playing a fundamental role in the latter. We simulate our experimental results with a phenomenological model that includes both effects and we reproduce several nontrivial features of the electrical response, including resistance relaxations observed after external poling. Besides providing insight into the underlying physics of these complex devices, our work suggests that it is possible to combine nonvolatile and volatile resistive changes in single ferroelectric memristors, an issue that could be useful for the development of neuromorphic devices.Fil: Ferreyra, Cristian Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes; ArgentinaFil: Rengifo Morocho, Miguel Andrés. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes; ArgentinaFil: Sanchez, Maria Jose. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: Everhardt, Arnoud S.. University of Groningen; Países BajosFil: Noheda, Beatriz. University of Groningen; Países BajosFil: Rubi, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Constituyentes; Argentin

Selective activation of memristive interfaces in TaOx-based devices by controlling oxygen vacancies dynamics at the nanoscale

The development of novel devices for neuromorphic computing and non-traditional logic operations largely relies on the fabrication of well controlled memristive systems with functionalities beyond standard bipolar behavior and digital ON-OFF states. In the present work we demonstrate for Ta2O5-based devices that it is possible to selectively activate/deactivate two series memristive interfaces in order to obtain clockwise or counter-clockwise multilevel squared remanent resistance loops, just by controlling both the electroforming process and the (a)symmetry of the applied stimuli, and independently of the nature of the used metallic electrodes. Based on our thorough characterization, analysis and modeling, we show that the physical origin of this electrical behavior relies on controlled oxygen vacancies electromigration between three different nanoscopic zones of the active Ta2O5-x layer: a central one and two quasi-symmetric interfaces with reduced TaO2-h(y) layers. Our devices fabrication process is rather simple as it implies the room temperature deposition of only one CMOS compatible oxide - Ta-oxide - and one metal, suggesting that it might be possible to take advantage of these properties at low cost and with easy scability. The tunable opposite remanent resistance loops circulations with multiple - analogic - intermediate stable states allows mimicking the adaptable synaptic weight of biological systems and presents potential for non-standard logic devices.Fil: Ferreyra, Cristian Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes.; ArgentinaFil: Sánchez, M.J.. Comisión Nacional de Energía Atómica; ArgentinaFil: Aguirre, Myriam. Universidad de Zaragoza; EspañaFil: Acha, Carlos Enrique. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Instituto de Física de Buenos Aires. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Instituto de Física de Buenos Aires; ArgentinaFil: Bengió, Silvina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Oficina de Coordinación Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche | Comisión Nacional de Energía Atómica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnología - Nodo Bariloche; ArgentinaFil: Lecourt, J.. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Lüders, U.. Centre National de la Recherche Scientifique; FranciaFil: Rubi, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Cientificas y Tecnicas. Oficina de Coordinacion Administrativa Ciudad Universitaria. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes | Comision Nacional de Energia Atomica. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia. Unidad Ejecutora Instituto de Nanociencia y Nanotecnologia - Nodo Constituyentes.; Argentin

Modeling of the multilevel conduction characteristics and fatigue profile of Ag/La 1/3 Ca 2/3 MnO 3 /Pt structures using a compact memristive approach

The hysteretic conduction characteristics and fatigue profile of La1/3Ca2/3MnO3 (LCMO)-based memristive devices were investigated. The oxide films were grown by pulsed laser deposition (PLD) and sandwiched between Ag and Pt electrodes. The devices exhibit bipolar resistive switching (RS) effect with well-defined intermediate conduction states that arise from partial SET and RESET events. The current-voltage curves are modeled and simulated using a compact memristive approach. Two equations are considered: one for the electron transport based on the double-diode equation and the other for the memory state of the device driven by the play operator with logistic ridge functions. An expression that accounts for the remnant resistance of the device is obtained after simplifying the model equations in the low-voltage limit. The role played by the power dissipation in the LCMO reset dynamics as well as the asymmetrical reduction of the resistance window caused by long trains of switching pulses are discussed.Fil: Miranda, E.. Universidad Autonoma de Barcelona. Facultad de Física; EspañaFil: Roman Acevedo, Wilson Stibens. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes. Gerencia de Investigación y Aplicaciones; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Rubi, Diego. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes. Gerencia de Investigación y Aplicaciones; ArgentinaFil: Lüders, U.. Centre National de la Recherche Scientifique; Francia. École Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Caen; FranciaFil: Granell, Pablo Nicolás. Instituto Nacional de Tecnología Industrial. Centro de Micro y Nanoelectrónica del Bicentenario; ArgentinaFil: Suñé, J.. Universidad Autonoma de Barcelona. Facultad de Física; EspañaFil: Levy, Pablo Eduardo. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Comisión Nacional de Energía Atómica. Centro Atómico Constituyentes. Gerencia de Investigación y Aplicaciones; Argentina. Universidad Nacional de San Martín. Escuela de Ciencia y Tecnología; Argentin