Electrical properties of BaTiO3, CoFe2O4 and La1/2(Ca, Sr)1/2MnO3 thin films and their importance for active barriers in tunnel transport

Abstract

La miniaturización ha sido el concepto relevante de la tecnología basada en silicio. No obstante, el escalamiento de su elemento pilar (el transistor de efecto de campo por apilamiento de metal/óxido/semiconductor) pronto llevará a la capa óxido de silicio a un espesor de 2 nm, donde la eficiencia de los dispositivos es afectada por el incremento de las corrientes de fuga debida al efecto túnel. Por lo tanto, la substitución del óxido de silicio parece inminente. La implementación de óxidos que presentan orden ferroico puede ser vista como una nueva ruta a seguir en el campo tecnológico. Por ejemplo, en memorias de acceso aleatorio (en inglés RAMs). Memorias ferroelectricas (RAMs), en las cuales la información es codificada a través de polarización ferroelectrica, ya están siendo usadas en dispositivos comerciales. Materiales ferroelectricos están siendo usados en investigaciones sobre celdas solares. Aislantes magnéticos han sido importantes en espintrónica. El control del magnetismo mediante campos eléctricos es otro tópico que resulta prometedor. Aquí, la corriente de fuga asociada al transporte túnel no es vista como un problema sino como una herramienta para leer información en dispositivos eléctricos o magnéticos y memorias. No obstante la física de las capas delgadas y ultradelgadas de ciertos óxidos ferroicos a un no está completamente entendida. Esta tesis está encaminada a investigar materiales con propiedades ferroicas a nanoescala. En el primer bloque, materiales magnéticos como CoFe2O4 y La0.5A0.5MnO3 (con A = Sr, Ca) han sido estudiados y la variación de sus propiedades bajo estrés han sido monitoreadas y explicadas. En el caso de CoFe2O4 medidas de impedancia en función de la frecuencia y bias DC han sido realizadas. La constante dieléctrica hallada es correlacionada con el estrés. Con respecto a La0.5A0.5MnO3, capas nanométricas han sido crecidas sobre diferentes substratos para imponer un estado de estrés mediante el crecimiento coherente de las películas. El orden magnético y el carácter eléctrico de las películas de La0.5A0.5MnO3 es explicado en términos de ordenamiento orbital. El segundo bloque trata sobre la descripción de algunos experimentos preliminares sobre el efecto de la luz en las propiedades ferroelectricas. Fotocorriente es medida en películas de BaTiO3. También se ha encontrado que la polarización y campo coercitivo pueden ser reducidos mediante iluminación. El último bloque es dedicado a la caracterización de junturas ferroelectricas de túnelamiento (en inglés FTJs). BaTiO3 es usado como barrera ferroelectrica mientras que La0.7Sr0.3MnO3 y Pt son usados como electrodos inferior y superior respectivamente. El control eléctrico de estados de resistencia de remanencia en FTJs de gran área muestran 3x104% electroresistencia túnel (en inglés TER) a temperatura ambiente. Medidas de capacitancia en función del voltaje DC presentan similitud con aquellas encontradas en metal-óxido-semiconductor. Posteriormente, capas ultradelgadas de La0.5A0.5MnO3 han sido insertadas entre el electrodo metálico y la capa ferroelectrica con el propósito de explorar una posible transición metal-aislante en estas capas como una forma de mejorar el valor de TER. Se encuentra que, para una composición particular el valor de TER, puede crecer hasta 5 veces. En relación a las capas ultradelgadas de CoFe2O4 se han observado contribución túnel y contribución tipo no túnel.

Shrinking has been the relevant concept of silicon-based technology. However the scaling of its cornerstone (metal oxide semiconductor field effect transistor) will lead to the silicon oxide layer to the scale of 2 nm, where the efficiency of the devices is affected due to the increase of leakage current by tunnel effect. Therefore, the replacement of silicon oxides will be imminent. The implementation of oxides materials with ferroic order can be seen as new avenue in the technology. For instance, in random accesses memories (RAMs). Ferroelectric RAMs (FeRAMs), in which information is encoded through the ferroelectric polarization, they are already commercially available. Ferrolectrics implemented in solar cells has been recently investigated. Magnetic insulators have been also attractive in spintronics. The control of magnetism by electric field also seems promising. Here, leakage current associated to the tunnel transport is view not as a problem but as tool to read information in electric or magnetic devices and memories. Nevertheless the physics of thin and ultrathin layers of some relevant ferroic oxides is not yet complete understood. This thesis is aimed to investigate oxides materials with ferroic character. In the first block, magnetic materials as CoFe2O4 and La0.5A0.5MnO3 (with A = Sr, Ca) have been investigated and the variation of their properties under strain has been monitored and explained. In the case of CoFe2O4 impedance measurements as a function of frequency and DC bias were done; the determined electrical permittivity is correlated with strain. Regarding La0.5A0.5MnO3, nanometric films were grown on different substrates to impose different strain states by the coherent growth of the films. The magnetic and electric character was monitored and explained in terms of orbital ordering. The second block concerns the description of some preliminary experiments on the effects of the visible light on the ferroelectric properties. Photocurrent is measured in BaTiO3 films. It is found that polarization and coercive field can be depressed by illumination. The last block is mainly devoted to the characterization of ferroelectric tunnel junctions (FTJs). BaTiO3 is used as ferroelectric barrier while La0.7Sr0.3MnO3 and Pt are the bottom and top electrode respectively. The electric field control of the remanent resistance states of large area FTJs displaying values of 3_104% tunnel electroresistance room temperature. Capacitance vs. bias measurements in these junctions present similarities to those found in metal-oxide-semiconductor. Next, ultrathin layers of La0.5A0.5MnO3 have been inserted between ferroelectric layer and metallic electrode aiming to explore possible metal-to-insulator transition in these layers as a way to enhance the tunnel electroresistance of the device. It is found that for some particular composition is seen that the room temperature electroresistance can increase up to five times. In relation to CoFe2O4 ultrathin films it has been observed tunnel and non-tunnel channels. A methodology to study the transport in ultrathin films of this type is proposed.