New features in solution derived La(0:7)Sr(0:3)MnO(3) thin films : spontaneous outcropping and nanoscale reversible resistive switching

Abstract

Esta disertación describe las propiedades estructurales, de transporte electrónico y magnéticas básicas de películas delgadas de La0.7Sr0.3Mn03 (LSMO) crecidas por depósito de soluciones químicas en substratos monocristalinos. Además, nuevas características, tales como, el a&#64258;oramiento espontáneo de puntos nanométricos aislantes en la super&#64257;cie de la película de LSMO e interruptores resistivos reversibles a la nano escala han sido abordados. <br/>Esta tesis está organizada del siguiente modo: primero, se da una breve introducción sobre manganitas. En el segundo capítulo, el estudio de un nuevo mecanismo para generar estructuras aislantes y nanométricas auto-ensambladas en la super&#64257;cie de la película de LSMO es presentado. Estas dos fases cristalinas, la película delgada de LSMO y los puntos aislantes, son investigados por microscopía electrónica de transmisión (TEM), mostrando una estructura coherentemente tensionada, si bien el estado de tensión y la simetría de la red de la capa de LSMO debajo de los puntos ha sido modi&#64257;cada. Estas islas aislantes provocan una tensión isotrópica a la película debajo de las mismas, lo cual, hace disminuir la contribución magneto-elástica en la anisotropía magnética. Se muestra que el tamaño y la concentración de las islas puede ser modi&#64257;cado a través de la cinética del crecimiento y modi&#64257;cando la cantidad de exceso de La en la solución precursora inicial. <br/>En el tercer capítulo, se intenta poner en evidencia el papel que juega la generación de tensión en las interficies así como su acomodación cuando se cambian las propiedades de la película delgada. Por este motivo, la dependencia de la propiedades de magneto transporte han sido analizadas. Los cambios de estas propiedades han sido examinados en el marco de un modelo magneto elástico, encontrando que dichos cambios no pueden ser justi&#64257;cados solamente con el estado de tensión. Sino que, la temperatura de transición de Curie y metal-aislante están in&#64258;uenciadas por otros factores como pueden ser inhomogeneidades químicas y desorden estructural presente en la película delgada. <br/>En el cuarto capitulo, con el &#64257;n de dilucidar el origen del calentamiento debido a efecto Joule, si se trata de un efecto intrínseco o extrínseco, en la biestabilidad resistiva de las películas delgadas de LSMO hemos llevado a cabo un estudio detallado del origen de este calentamiento. Presentamos medidas del transporte electrónico macroscópicas y locales obtenidas con un microscopio de sonda local en modo detección de corriente (C-SFM). Demostramos que, bajo adecuadas condiciones de medida, el régimen de resistencia biestable no puede ser conseguido a una temperatura de 300K. Además, sugerimos que este fenómeno sólo podría ser alcanzado en películas delgadas de LSMO a temperaturas entorno a 250K. <br/>En el quinto capítulo, una nueva metodología basada en la generación de estados resistivos esta¬bles, capaz de programar, almacenar y leer múltiples niveles de información en regiones nanométri¬cas fue llevada a cabo modi&#64257;cando las propiedades resistivas intrínsecas de las películas delgadas de LSMO. Demostramos que el número de estos diferentes niveles puede llegar al menos a 10 pudiendo ser incluso mayor. Con este concepto de memoria resolvemos algunos de los principales escollos de la memorias resistivas de acceso aleatorio (RRAM), salvo en el conocimiento del mecanismo que gobierna, como son la escalabilidad, el bajo coste de producción, una alta densidad de almacenaje de datos y la uniformidad espacial del interruptor resistivo. <br/>Las técnicas y procedimientos experimentales usados en esta tesis son presentados en el capítulo 7. Tanto la técnica de crecimiento de las películas epitaxiales, depósito de soluciones químicas, como la síntesis de las muestras es descrita. También se explican las diferentes técnicas utilizadas para la caracterización química, estructural, de transporte eléctrico y propiedades magnéticas. Además, el proceso de litografía óptica empleado para las medidas de transporte electrónico se explica en este capítulo.

This dissertation describes the basic structural, electronic transport and magnetic properties of epitaxial La0.7Sr0.3Mn03 (LSMO) thin &#64257;lms on single crystalline substrates grown by chemical solution deposition. In addition, new features such as spontaneous outcropping of insulating nanodots on the LSMO surface and nanoscale reversible resistive switching have also been addressed. <br/>The thesis is organized in the following way: &#64257;rst, a short introduction to manganites is given. In the second chapter, a study of the new mechanism for the creation of self-assembled insulating epitaxial nanostructures in a LSMO &#64257;lm surface is presented. These two crystalline phases, LSMO thin &#64257;lm and insulating nanodots, are investigated by transmission electron microscopy (TEM), displaying a coherently strained structure, even though the strain state and the lattice symmetry of the LSMO &#64257;lm underneath the islands have been modi&#64257;ed. Insulating islands induce an isotropic strain to the LSMO &#64257;lm underneath the island which decreases the magnetoelastic contribution to the magnetic anisotropy. It is shown that the size and concentration of the nanodots can be tuned by means of growth kinetics and through modi&#64257;cation of the La excess in the precursor chemical solution. Furthermore, nanoscale electrical analysis was performed by C-SFM in order to determine the insulating behavior of the nanodots. <br/>In the third chapter, we report our efforts to give some insight into the role that interfacial strain generation and interfacial strain accommodation play on the thin &#64257;lm properties. On this account, the dependence of the LSMO &#64257;lms magnetoelectronic properties on the &#64257;lm thickness is scrutinized. The changes of the magnetoelectronic properties have been examined assuming a magnetoelastic model and we found that these changes on magnetoelectronic properties cannot be explained merely by the &#64257;lm strain state. Instead, the Curie and metal to insulator transition temperatures are also in&#64258;uenced by other factors, such as chemical inhomogeneities and structural disorder in the &#64257;lm. <br/>In the fourth chapter, in order to elucidate the intrinsic or extrinsic origin of the Joule heating effect in the resistance bistability of LSMO thin &#64257;lms we accomplish a detailed study of the heating sources. We report macroscopic transport measurements and local electrical behavior at the nanoscale, obtained by conducting Scanning Force Microscopy (C-SFM). We have demonstrated that, under ad¬equate measuring conditions, a regime of bistable resistivity in LSMO thin &#64257;lms is not achieved at T = 300 K. We otherwise suggest that this phenomenon would only occur in LSMO &#64257;lms when measuring at temperatures below T &#8765; 250 K. <br/>In the &#64257;fth chapter, a new stable resistive switching based methodology capable to program, store and read out multiple levels in a nanoscale regions were performed modifying the intrinsic properties of the LSMO &#64257;lm. We demonstrate that the number of distinguishable resistance levels can readily reach 10 and even higher. We overcome the main handicaps of resistive random-access memory (RRAM) approaches, except for unclear driven mechanism of resistive switching, namely scalability, low cost, high area density of storage data and spatial uniformity of resistive switching process. <br/>The experimental techniques and procedures used in this thesis are summarized in chapter 7. The growth technique of epitaxial thin &#64257;lm, chemical solution deposition, and the synthesis of samples are described. Also different chemical characterization, structural, electronic transport and magnetic techniques are presented. In addition, the optical lithography process employed for electronic trans¬port measurements is explained in this chapter.