Trasporte eléctrico y magnetismo en sistemas electrodo - aislante - electrodo: hacia el desarrollo de dispositivos del tipo juntura tunel.
2016
La presente tesis es un estudio dedicado a la optimizacion y desarrollo de sistemas
del tipo juntura tunel. La metodologia utilizada para la realizacion de la tesis consistio,
en primer lugar, en la optimizacion de las componentes independientes de la juntura
tunel: electrodo y barrera aislante. Posteriormente se optimizaron los procesos de fabricacion para el desarrollo y caracterizacion de dispositivos del tipo juntura tunel en
su forma final.
En la primera parte de la tesis se analizan detalladamente los resultados obtenidos
de la caracterizacion electrica y topografica de barreras aislantes en sistemas electrodo -
barrera. Los sistemas bicapas estudiados, GdBa_2Cu_3_7/SrTiO_3, Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 y
YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3, fueron caracterizados utilizando un microscopio de fuerza atomica
en modo conductor. Se propuso un modelo fenomenologico basado en los resultados
experimentales, que permitio la obtencion de parametros criticos para el desarrollo de
dispositivos del tipo juntura tunel con nuevas funcionalidades. La informacion obtenida
de la caracterizacion de los sistemas bicapas (homogeneidad de crecimiento, baja
densidad de defectos y de pinholes) indican un muy buen control de los parametros de
crecimiento de las barreras. Por otro lado, se obtuvo un buen comportamiento aislante
para espesores mayores a 2 nm sin la presencia de pinholes en la barrera. La similitud
en la estequiometria de las barreras (SrTiO_3) permitio comparar los distintos sistemas
estudiados en terminos de conductividad electrica. Se verifico que el modelo fenomenologico permite comparar la conductividad electrica de los sistemas mediante uno de
los parametros definidos en el modelo fenomenologico (obtenido de los ajustes lineales
de las curvas I(V)). De los 3 sistemas estudiados, las bicapas GdBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3
presentaron un mayor valor de longitud de atenuacion de los portadores de carga
a traves de la barrera y una muy baja densidad de defectos superficiales. Las bicapas
YBa_2Cu_3O_7/SrTiO_3 y Nb/Ba_0,05Sr_0,95TiO_3 permitieron validar el modelo fenomenologico propuesto para el analisis de la respuesta corriente - voltaje obtenida con el
microscopio de fuerza atomica en modo conductor.
La segunda parte de la tesis abarca conceptos de magnetismo y microfabricacion
para el desarrollo de junturas tunel magneticas. Durante la caracterizacion de las peliculas
ferromagneticas individuales de Co_90Fe_10 (CoFe) se logro aumentar valor del campo
coercitivo de films de 10 nm de espesor al incrementar la temperatura de deposito.
Esto se debe a un aumento del tamano de grano de los films. El aumento de la temperatura
del sustrato durante el crecimiento influye en la morfologia y las propiedades
magneticas de los films de CoFe favoreciendo la formacion de granos y la perdida
del eje preferencial de magnetizacion. Estos resultados permitieron la fabricacion de
sistemas Co_90Fe_10/M_gO/Co_90Fe_10 con distintas orientaciones relativas accesibles con
campo magnetico para el estudio del acople magnetico entre los films de CoFe. La
caracterizacion electrica de estos sistemas, particularmente la respuesta corriente - voltaje
obtenida con el microscopio de fuerza atomica en modo conductor, indico que las
propiedades de transporte electrico de las junturas presentan un alto grado de reproducibilidad.
Se analizo ademas la inuencia del sustrato utilizado en la corriente tunel
que atraviesa la barrera aislante. Por otro lado, se discuten los fenomenos relacionados
a la optimizacion de las propiedades magneticas de electrodos ferromagneticos para la
fabricacion de junturas tunel Co_90Fe_10/MgO/Co_90Fe_10 y Co_90Fe_10/MgO /Fe_20Ni_80. En
particular, se estudio el acople magnetico entre capas ferromagneticas y la inuencia
del sustrato utilizado para el crecimiento de las tricapas. La optimizacion de los electrodos
magneticos involucro el analisis de la inuencia de la presencia de un aislante
entre dos capas magneticas en el acople de los electrodos. Se logro el desacople de films
de 10 nm de Co_90Fe_10 y Fe_20Ni_80 separados por un espaciador de MgO de 2 nm.
Finalmente se detallan los pasos para la fabricacion de una red de junturas tunel
magneticas y su caracterizacion electrica a bajas temperaturas. El sistema estudiado fue
la tricapa Co_90Fe_10 (10 nm)/M_gO (8 nm)/ Fe_20Ni_80 (10 nm) crecido sobre un sustrato de
M_gO. La caracterizacion electrica confirmo la buena calidad de la junturas fabricadas.
Las junturas obtenidas presentaron un comportamiento altamente resistivo (~ MΩ).
Las mediciones de la corriente tunel en funcion de la temperatura permitieron descartar
la presencia de pinholes en la barrera. El transporte de los portadores de carga es por
efecto tunel a traves de la barrera aislante. Las curvas de conductancia diferencial
permitieron calcular el valor medio de la altura de la barrera de potencial (φ = 3.1 eV)
a partir del modelo de Brinkman.
Los resultados obtenidos en cada uno de los capitulos se complementan y son relevantes
para la optimizacion de junturas tunel, debido a que brindan informacion critica
para su correcto funcionamiento. En la presente tesis se lograron obtener los primeros
avances para la fabricacion de arreglos de junturas tunel que permitan el desarrollo de
dispositivos.
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