Creixement i estudi de capes primes de manganites de valència mixta

Abstract

Los materiales objeto de estudio en esta Tesis son óxidos de Mn del tipo La2/3A1/3MnO3 (A=Ca, Sr), que presentan una transición ferro-paramagnética acompañada de una transición metal-aislante a temperaturas del orden de TC=300K. La aplicación de un campo magnético favorece la aparición del orden ferromagnético produciendo un desplazamiento de la transición hacia temperaturas más elevadas. Esto genera una fuerte disminución de la resistividad, dando lugar a un importante efecto magnetoresistivo (magnetoresistencia colosal). Dado el complicado entramado de los diferentes fenómenos físicos concurrentes en las manganitas, estos óxidos tienen un gran interés tanto desde el punto de vista básico como del desarrollo de nuevos dispositivos de electrónica de espín. <br/>Dentro de este marco, esta tesis está organizada en tres apartados : <br/>1. Una gran parte del trabajo experimental ha consistido en el desarrollo de un sistema de crecimiento de láminas delgadas mediante pulverización catódica de radiofrecuencia. Los distintos elementos del sistema (calefactores, portasustratos, magnetrones, etc) se controlan por ordenador, lo cual permite crecer muestras de forma automática. <br/>2. La segunda parte del trabajo consiste en controlar el crecimiento de láminas del compuesto La2/3Ca1/3MnO3 a nivel nanoscópico. La influencia de las condiciones de depósito sobre los distintos parámetros claves del material (parámetros de celda, temperaturas de transición, resistividad, rugosidad, etc) ha sido estudiada de exhaustivamente y se ha conseguido la fabricación de muestras de alta calidad de forma reproducible. <br/>3. La parte más importante de la investigación se ha dedicado a determinar el papel de las intercaras sobre las propiedades de capas de manganita. Como es bien sabido, la interacción responsable del ferromagnetismo en este material es muy sensible a las distorsiones estructurales, lo cual, combinado con la alta polarización de los portadores de carga, lleva a una magnetoresistencia de bajo campo muy fuerte en cerámicas nanométricas. Esta alta polarización también da lugar a una fuerte respuesta a campo débil en uniones túnel. Nuestra contribución consiste en la fabricación de intercaras artificiales de varios tipos y en la correlación de la magnetoresistencia obtenida con el análisis estructural. Las propiedades magnetoelectrónicas de las intercaras entre una manganita y un aislante (SrTiO3, LaAlO3 o NdGaO3) también han sido estudiadas. En estas regiones la temperatura de Curie TC y la conductividad eléctrica son más bajas que en el bulk, lo cual se atribuye a la coexistencia de fases con distintas propiedades electrónicas. Por otra parte, fenómenos más fundamentales como la magnetoresistencia anisotrópica y el efecto Hall anómalo también han sido objeto de estudio y se han intentado correlacionar con el acoplamiento espín-órbita y el estado magnético cerca de TC.

This thesis reports on properties of Mn oxides of the type La2/3A1/3MnO3 (A=Ca, Sr) which exhibit a ferromagnetic-to-paramagnetic transition concomitant of a metallic-to-insulator transition around TC=300K. The application of an external magnetic field favours the ferromagnetic ordering of Mn moments which leads to a shift of TC to higher temperatures, which in turn produces a decrease of the resistivity. This gives rise to a strong magnetoresistive effect called colossal magnetoresistance. In these compounds, many interactions have similar energy scales and compete to determine the ground state, making manganites very interesting materials from the basic point of view as well as for the development of new devices for spin electronics. <br/>Within this frame, this thesis is focused on the three following points : <br/>1. The biggest effort in the experimental work has been dedicated to the set-up of a radiofrequency sputtering system for the fabrication of thin films of oxides. The different elements of the system (substrate heaters and holders, magnetrons, etc) are computer-controlled, which allows the growth of films and heterostructures in a fully automated fashion. <br/>2. The second part of the work consisted in controlling the growth of thin films of mixed valence manganites, mainly La2/3Ca1/3MnO3, at the nanoscopic scale. The influence of several growth parameters on the key characteristics of the material (cell parameters, transition temperatures, resisitivity, roughness, etc) has been extensively studied and a reproducible fabrication of high-quality films has been achieved. <br/>3. The main part of the work is focused on the role of interfaces on the properties of manganite films. It is well know that the interaction responsible for ferromagnetism in these compounds is very sensitive to structural distortions which, combined with a high polarisation of the charge carriers, leads to a strong low-field magnetoresistance in nanometric ceramic powders. This high polarisation also gives rise to a large low-field response in tunnel junctions. To probe these effects, we have fabricated artificial interfaces of several types and correlated their magnetotransport response with data from structural analysis. We have also studied the magnetoelectronic properties of the interface between a manganite film and an insulator (SrTiO3, LaAlO3, NdGaO3). A marked decrease of TC and of the electrical conductivity compared to bulk material is observed. This correlates with the detection of multiphase separation between regions with different electronic properties at these interfaces. Besides, fundamental transport phenomena such as anisotropic magnetoresistance and anomalous Hall have been investigated. Their magnitude and temperature dependence have been analysed and a semi-quantitative explanation involving the spin-orbit interaction and the electronic texture close to TC has been proposed.

Cette Thèse a été consacrée à l'étude d'oxydes de Mn La2/3A1/3MnO3 (A=Ca, Sr) présentant une transition ferromagnétique-paramagnétique concomitante d'une transition métal-isolant aux environs de TC=300K. L'application d'un champ magnétique externe favorise un ordre ferromagnétique du moment des ions Mn, ce qui déplace TC vers les hautes températures et induit une forte diminution de la résistivité. Ce fort effet magnétorésistif est appelé magnétorésistance colossale. Dans ces composés, de nombreux interactions sont en compétition ce qui les rend très intéressants du point de vue fondamental comme pour le développement de nouveaux dispositifs en électronique de spin.<br/>Dans ce cadre, cette thèse est structurée autour des trois points suivants :<br/>1. Un grand effort expérimental a été fourni pour développer un bâti de pulvérisation cathodique radiofréquence destiné à l'élaboration de couches minces d'oxydes. Les différents éléments du système (chaufferettes, porte-substrats, magnétrons) sont pilotés par ordinateur ce qui permet de fabriquer des couches minces de façon totalement automatique.<br/>2. La seconde partie du travail a consisté à contrôler la croissance de couches minces de La2/3Ca1/3MnO3 à l'échelle nanoscopique. L'influence des paramètres de croissance sur certaines caractéristiques du matériau (paramètres de maille, températures de transition, résistivité, rugosité de surface, etc) a été étudiée de façon extensive de sorte que des couches de très bonne qualité ont pu être obtenues de façon reproductible.<br/>3. Le rôle des interfaces sur les propriétés physiques de couches de manganite a fait l'objet de la majeure partie de cette thèse. En effet, l'interaction responsable du ferromagnétisme de ces composés est très sensible aux distorsions structurales, ce qui, du fait de la forte polarisation de spin des porteurs, donne lieu à une forte magnétorésistance à faible champ dans des céramiques nanométriques. Cette forte polarisation conduit également à une forte réponse magnétorésistive dans des jonctions tunnel. Nous nous sommes donc intéressés aux propriétés d'interfaces et avons fabriqué des interfaces artificielles de plusieurs types, et relié leur propriétés de magnétotransport aux résultats des analyses structurales. Par ailleurs, nous avons étudié les interfaces entre une manganite et un isolant (SrTiO3, LaAlO3, NdGaO3). Celles-ci possèdent une Tc et une conductivité beaucoup plus faibles que le matériau massif, ce qui est lié à la coexistence de régions présentant des propriétés électroniques différentes (séparation de phase). Par ailleurs, nous nous sommes également intéressés à des phénomènes de transport intrinsèques comme la magnétorésistance anisotrope et l'effet Hall extraordinaire dont nous avons essayé de comprendre la dépendance en température en la reliant au couplage spin-orbite et à la texture électronique près de TC.