Transport phenomena and magnetism in nanostructures of lanthanum manganitebased oxide thin films

Abstract

Els òxids basats en manganites de lantà formen una extensa família de compostos derivats del LaMnO3: una perovskita de la forma general ABO3. Les propietats físiques d’aquesta es poden modi car substancialment per substitució catiònica. En aquesta tesi estudiem dos compostos obtinguts per substitució dels cations A i B. D’una banda, el La2Co0.8Mn1.2O6 (LCMO), obtingut per substitució del Mn per Co (catió B), que conforma una estructura doble perovkita amb propietats aïllants i ferromagnètiques. D’altra banda, el La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) format per substitució parcial de La per Sr (catió A) i que resulta en un material metàl.lic i ferromagnètic. El desenvolupament de tècniques de creixement de materials òxids en forma de capes primes els dóna un gran potencial per ser integrats en la tecnologia de semiconductors i per dissenyar dispositius micro i nanomètrics per a aplicacions en spintrònica i memòries no-volàtils. Actualment hi ha gran interès en l’estudi de capes primes de perovskites dobles amb propietats ferromagnètiques i aïllants, ja que tenen una temperatura de transició relativament alta i són fàcils d’integrar sobre altres òxids. La implementació d’aïllants ferromagnètics com a substituts dels dispositius ferromagnètics basats en metalls pot conduir a una e ciència de commutació molt més gran i un transport de corrent menys dissipatiu. Assolir capes ultra primes d’aquests materials permetria obtenir una barrera túnel activa que selecciona l’espín, per tant actua com a ltre d’aquest. Així, l’objectiu principal de la primera part d’aquesta tesi és comprendre les propietats físiques del LCMO i obrir una via per futures aplicacions potencials. En primer lloc, es presenta un estudi detallat del creixement i la caracterització estructural i magnètica de capes primes de LCMO. Demostrem que podem obtenir capes d’alta qualitat, amb temperatures de transició de ns a 230 K i amb un bon ordre catiònic tot i petites desviacions de l’estequiometria. A continuació, analitzem els efectes d’anisotropia magnètica centrats en els aspectes següents: 1) l’estudi de l’aparició d’una forta anisotropia magnètica perpendicular (PMA) amb un alt camp coercitiu i d’anisotropia, i 2) la relació del signe i la força de l’anisotropia magnètica amb els desajustos estructurals amb el substrat. En particular, la PMA apareix en el cas que la tensió sigui expansiva mentre que la tensió compressiva produeix un eix fàcil d’imantació dins el pla. Per trobar una explicació a l’origen de l’anisotropia magnètica desenvolupem un model atòmic simple basat en càlculs de primer ordre de teoria de pertorbacions. A més, relacionem les prediccions extretes amb experiments de dicroisme magnètic circular de raigs X (XMCD tot demostrant que l’anisotropia magnètica en l’LCMO té un origen magnetocristal.lí a causa del fort acoblament d’espín-òrbita del Co2+. Amb l’objectiu d’integrar les propietats aïllants ferromagnètiques i la PMA en un dispositiu, hem fabricat unions túnel utilitzant el LCMO com a barrera magnèticament activa i hem explorat les seves funcionalitats d’espín. Hem trobat que el dispositiu proporciona una alta e ciència de ltratge d’espín (gairebé el 100% de polarització) i funcionalitats de sensor i memòria anisotròpica. És a dir, que la forta PMA induïa per la tensió epitaxial provoca una gran diferència entre les corbes de magnetoresistència mesurades amb el camp magnètic aplicat perpendicular o parallelament; aquesta és l’anomenada magnetoresistència túnel anisotròpica (TAMR). S’han trobat valors de TAMR de 20-30%. Finalment, s’ha provat que el dispositiu pot funcionar com una memòria magnètica ja que podem detectar dos estat no volàtils de resistència ben diferenciats que s’escriuen canviant la direcció del camp magnètic aplicat. En la darrera part de la tesi, s’han presentat resultats basats en l’altre sistema de manganita, el LSMO. Mostrem que les inestabilitats del creixement poden conduir a la formació de superfícies de doble terminació. Allunyar-se del comportament ideal de creixement constitueix una forma d’obtenir nanoestructures formades espontàniament amb propietats funcionals locals en superfícies. Les propietats de transport i la composició d’aquestes superfícies s’analitzen utilitzant tècniques de sonda d’escaneig i microscopia electrònica de fotoemissió amb resolució lateral. Aquestes tècniques sensibles a la superfície són adequades per caracteritzar les propietats a la nanoescala d’aquest tipus de sistemes.

Lanthanum manganite-based oxides conform an extensive family of compounds deriving from LaMnO3: a perovskite with general formula ABO3. Its physical properties can be drastically modified by cation substitution. In this thesis we explore two compounds obtained by A-site and B-site substitutions. On the one hand, La2Co0.8Mn1.2O6 (LCMO), obtained by substitution of Mn by Co (B-site substitution), leads to a double perovskite structure with ferromagnetic insulating properties. On the other side, the La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO) compound resulting from the partial substitution of La by Sr (A-site substitution) turns the material into a ferromagnetic half-metal. The development of techniques for the growth of oxide materials in the form of thin films ease their integration in semiconductors technology and enable the design of micro and nanoscale devices with potential in spintronics and non-volatile memory applications. Nowadays, there is an increasing interest in the study of double perovskite thin films combining ferromagnetic and insulating properties due to their relatively high transition temperature and their integration on top of other perovskite oxides. The implementation of ferromagnetic insulators (FM-I) as substitutes of ferromagnetic metal-based devices can lead to much higher switching eficiency and less dissipative current transport. For instance, ultrathin films of (FM-I) might be used as spin-selective active tunneling barriers acting as spin-filters. Therefore, the main objective of the first part of this thesis has been to give a comprehensive understanding of LCMO physical properties and propose a guide to potential applications. Firstly, we present a detailed study of the growth of the LCMO films as well as their structural and magnetic characterization. We demonstrate that we can obtain high quality thin films, with transition temperatures up to 230 K and with good cationic order despite a certain degree of off-stoichiometry. Then, we analyze magnetic anisotropy effects, focusing on the following aspects: i) the study of the appearance of strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) with large coercive and anisotropy fields, and ii) the relation of magnetic anisotropy strength and sign with lattice mismatches. In particular, we show that PMA appears for the tensile strain case while compressive strain produces in-plane easy axis. We also give a more detailed understanding of the origin of magnetic anisotropy using a simple atomistic model based on first-order perturbation theory calculations.We relate our predictions with X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) experiments and evidence that magnetic anisotropy in LCMO has a magnetocrystalline origin due to the strong spin-orbit coupling of Co2+ ions. With the aim of integrating ferromagnetic insulating properties and PMA in a device, we have fabricated tunnel junctions using LCMO as a magnetically active barrier and have explored its spin-derived functionalities. We have found that the device provides high spin-filtering effciency (of almost 100% of spin-polarization) as well as anisotropic sensing and memory functionalities. This is, the strong straininduced PMA provokes a large difference between magnetoresistance curves measured with the magnetic field applied in the perpendicular or parallel directions, this phenomenon is the so called tunneling anisotropic magnetoresistance (TAMR). TAMR values as high as 20-30% have been found. Finally, we have proven that the device can be used as a magnetic memory as we can detect the existence of two nonvolatile resistive state that switches depending on the direction of the magnetic field used to write it. The last part of thesis presents results focused on the A-substituted manganite, LSMO, thin films. We show that growth instabilities can lead to the formation of double-terminated surfaces. Indeed, deviations from the ideal growth behaviour constitute a way to obtain spontaneously formed nanostructures with modulated local functional properties at the surface. The transport properties and the composition of these films have been analyzed by making use of scanning probe techniques and space-resolved photoemission electron microscopy, which are surface-sensitive techniques suitable to characterize properties at the nanoscale of this type of systems.