Spin-dependent transport in oxide-based tunnel junctions

Abstract

Aquesta tesi estudia les propietats de magnetotransport en unions túnel on un dels elèctrodes és l’òxid ferromagnètic La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). En concret, ens interessem per dos fenòmens diferents: (i) magnetoresistència (MR) en unions túnel amb un sol elèctrode magnètic i (ii) filtratge d’espí en unions túnel magnètiques. L’efecte túnel és extremadament dependent de les interfícies i una bona qualitat de les heteroestructures resulta crucial per a obtenir un bon rendiment dels dispositius. És per aquest motiu que bona part d’aquesta tesi es dedica al creixement (per polvorització catòdica) i caracterització de capes primes, a l’estudi de les interfícies de les heterostructures i a la fabricació de les unions. Pel que fa a les unions amb un únic elèctrode magnètic, ens centrem en l’estudi del transport túnel en funció de la temperatura i del camp magnètic aplicat en unions de Pt/LaAlO3/LSMO. En el nostre treball hem identificat diferents mecanismes físics que juguen un paper important en la MR d’aquest sistema: la magnetoresistència túnel anisòtropa (TAMR), de l’ordre de 4 % a baixa temperatura, i una altra contribució a la magnetoresistència, de l’ordre de 17%. A més, TAMR a baix camp magnètic s’atribueix a la rotació de dominis magnètics. En el cas d’unions amb dos elèctrodes magnètics, també cal tenir en compte l’orientació relativa entre les magnetitzacions d’aquests. El sistema que estudiem és Fe/MgO/LSMO, en el qual s’espera un valor de magnetoresistència túnel (TMR) gran degut a la combinació del filtratge d’espín per part del Fe/MgO i la semimetal·licitat del LSMO. Com a conseqüència de la formació de FeOX en la interfície Fe/MgO, obtenim diferent signe de TMR per a diferents unions: una TMR negativa de 4% a baixes temperatures s’atribueix a un FeOX magnèticament desordenat i una TMR positiva de 25% a 70 K s’atribueix a la ordenació magnètica del FeOX a la intercara amb el MgO, que dóna lloc a filtratge d’espín. Quan el gruix de la barrera d’MgO es redueix a 1.2 nm, aquesta capa ordenada de FeOX s’acobla antiferromagnèticament amb la de LSMO donant lloc a un comportament molt interessant de la MR especialment quan es mesura aplicant el camp magnètic fora del pla de la capa. La formació de FeOX en aquesta estructura no s’ha aconseguit eliminar ni amb creixement in-situ ni amb recuits, i se suggereix que la barrera d’MgO és permeable a l’oxigen de la manganita, fet que duria a l’oxidació del Fe. Per altra banda, amb l’objectiu de fabricar unions amb una barrera túnel magnètica que actuï com a filtre d’espín, hem estudiat la possibilitat d’utilitzar capes primes de La2CoMnO6 (LCMO) com a barrera. Aquest material és ferromagnètic, aïllant i amb estructura de doble perovskita, però hi ha pocs treballs sobre la seva preparació en capes primes. A més a més, en aquests les capes estan crescudes per depòsit de làser pulsat i els gruixos són superiors a 100 nm, i per tant no aptes per actuar com barreres aïllants en filtres d’espí. L’objectiu principal s’ha orientat cap a un estudi detallat del creixement, optimització i caracterització de les propietats de capes primes de LCMO. En aquest sentit, s’han aconseguit capes (de 20 a 5 nm) epitaxials, aïllants i ferromagnètiques amb temperatures de Curie prop del 230 K i anisotropia magnètica perpendicular. S’han crescut heterostructures epitaxials de LCMO/LSMO, les propietats magnetoresistives de les quals es preveuen aprofundir en futurs treballs.

This thesis studies the magnetotransport properties of tunnel junctions in which one of the electrodes is the ferromagnetic oxide La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO). In particular, we focus on two different phenomena: (i) magnetoresistance (MR) in tunnel junctions with a single magnetic electrode and (ii) spin filtering in magnetic tunnel junctions. The tunneling effect is extremely sensitive to the interfaces and good quality of the heterostructures is crucial toward the optimal performance of the devices. For this reason, much of the thesis is dedicated to the growth (by sputtering) and characterization of thin films, to the study of interfaces in heterostructures and to the fabrication of junctions. With respect to the junctions with a single magnetic electrode, we concentrate on the tunnelling transport as a function of temperature and magnetic field applied in Pt/LaAlO3/LSMO junctions. In our work, we have identified the different physical mechanisms which play a relevant role on the MR of this system: tunnelling anisotropic magnetoresistance (TAMR), of the order of 4 % at low temperature, and another contribution to the MR, of the order of 17 %. Furthermore, TAMR at low magnetic field is attributed to rotation of magnetic domains. In the case of junctions with two magnetic electrodes, we must also take into account the relative orientation between their magnetizations. The studied system is Fe/MgO/LSMO, in which a large tunnel magnetoresistance (TMR) is expected due to the combination of spin filtering from the Fe/MgO and the half-metallicity of LSMO. As a consequence of the formation of FeOX at the Fe/MgO interface, we obtain different sign of the TMR for different junctions: a negative TMR of 4 % at low temperatures is ascribed to a magnetically disordered FeOX and a positive TMR of 25 % at 70 K is attributed to magnetic ordering of the FeOX at the interface with MgO, which results in spin filtering. When the MgO barrier thickness is reduced to 1.2 nm, this ordered FeOX coupled antiferromagnetically to the LSMO layer gives rise to an interesting magnetoresistive behaviour, especially when measured with the magnetic field applied out-of-plane. We have not been able to avoid the formation of FeOX in this heterostructure, even for in-situ growth or annealings, and we suggest that the MgO barrier is permeable to the oxygen from the manganites, which would be responsible for the oxidation of the Fe. On the other hand, aiming at the fabrication of junctions with magnetic tunnel barrier which acts as spin filter, we have studied the possibility of using La2CoMnO6 (LCMO) thin films as barrier. This material is ferromagnetic, insulating and possesses perovskite structure, but there are only a few works on its thin film growth. What is more, such works are performed with pulsed laser deposition and thicknesses are above 100 nm, thus not suitable as insulating barriers in spin filters. We have performed a detailed study of the growth, optimization and characterization of LCMO thin films. In this regard, we have achieved epitaxial, insulating, ferromagnetic thin films (from 20 to 5 nm), with Curie temperatures around 230 K and perpendicular magnetic anisotropy. LCMO/LSMO heterostructures, whose magnetoresistive properties remain to be studied in future work, have also been grown.