Field-Induced Reversible Tuning of Oxygen Doping in High-Temperature Superconductors

Abstract

La modulació de la concentració de portadors en òxids fortament correlacionats ofereix l’oportunitat única d’induir diferents fases al mateix material, canviant dràsticament les seves propietats físiques. En especial, la possibilitat de modificar reversiblement la transició metall-aïllant (MIT) en òxids de perovskita, mitjançant un camp elèctric com a paràmetre de control extern, és una àrea de recerca molt activa en física de la matèria condensada, i una tècnica prometedora per a generar dispositius nous d’estat sòlid amb funcionalitats interessants. En aquesta tesi hem estudiat la manipulació elèctrica de la transició de metall (superconductor) a aïllant en làmines primes superconductores d’alta temperatura crítica de YBa2Cu3O7-x mitjançant dopatge d’oxigen induït per camp. Demostrem que les transicions de fase volúmiques no volàtils poden modular-se localment per fabricar dispositius tipus transistor, amb canals sense resistència, en què la magnitud i direcció del camp elèctric, la temperatura i la mobilitat anisotròpica de l’oxigen en determinen les seves característiques. A més, hem demostrat el potencial per modular el dopatge d’oxigen a una regió estesa d’estructures de YBCO mitjançant la migració selectiva d’àtoms d’oxigen induïda per efectes d’electromigració. Els dispositius estudiats funcionen tant en estat superconductor com a normal, proporcionant així la base per al disseny d’estructures memristives multiterminals a temperatura ambient, com un enfocament prometedor per a aplicacions informàtiques neuromòrfiques, així com per a sistemes superconductors funcionals emergents. Els coneixements adquirits durant aquest treball obren oportunitats per al disseny de nous dispositius per a Tecnologies de la Informació i la Comunicació (e-TIC) energèticament eficients.

La modulación de la concentración de portadores en óxidos fuertemente correlacionados ofrece la oportunidad única de inducir diferentes fases en el mismo material, cambiando drásticamente sus propiedades físicas. En especial, la posibilidad de modificar reversiblemente la transición metal-aislante (MIT) en óxidos de perovskita, mediante un campo eléctrico como parámetro de control externo, es un área de investigación muy activa en física de la materia condensada, y una técnica prometedora para generar nuevos dispositivos de estado sólido con funcionalidades interesantes. En esta tesis hemos estudiado la manipulación eléctrica de la transición de metal (superconductor) a aislante en láminas delgadas superconductoras de alta temperatura crítica de YBa2Cu3O7-x mediante dopaje de oxígeno inducido por campo. Demostramos que las transiciones de fase volúmicas no volátiles pueden modularse localmente para fabricar dispositivos tipo transistor, con canales sin resistencia, en los que la magnitud y dirección del campo eléctrico, la temperatura y la movilidad anisotrópica del oxígeno determinan sus características. Además, hemos demostrado el potencial para modular el dopaje de oxígeno en una región extendida de estructuras de YBCO mediante la migración selectiva de átomos de oxígeno inducida por efectos de electromigración. Los dispositivos estudiados funcionan tanto en estado superconductor como normal, proporcionando así la base para el diseño de estructuras memristivas multiterminales a temperatura ambiente, como un enfoque prometedor para aplicaciones informáticas neuromórficas, así como para sistemas superconductores funcionales emergentes. Los conocimientos adquiridos a lo largo de este trabajo abren oportunidades para el diseño de novedosos dispositivos para Tecnologías de la Información y la Comunicación (e-TIC) energéticamente eficientes.

Modulation of carrier concentration in strongly correlated oxides offers the unique opportunity to induce different phases in the same material, which dramatically change their physical properties. Specially, the possibility of reversibly modifying the metal-insulator transition (MIT) in perovskite oxides, by means of an electric field as the external control parameter, is a very active area of research in condensed matter physics, and a promising technique to generate new solid-state devices with interesting functionalities. In this thesis we have studied the electric manipulation of the metal (superconducting) to insulator transition in high-temperature superconductor YBa2Cu3O7-x thin films by field-induced oxygen doping. We demonstrate that non-volatile volume phase transitions can be locally modulated to fabricate transistor-like devices, with free-resistance channels, in which the electric field magnitude and direction, temperature, and anisotropic oxygen mobility determine their characteristics. Moreover, we have shown the potential to tune the oxygen doping in an extended region of YBCO patterned structures by mass-selective migration of oxygen atoms induced by electromigration effects. The studied devices work both at the superconducting and normal state thus providing the basis for the design of room temperature multi-terminal memristive structures, as a promising approach for neuromorphic computing applications, as well as emerging functional superconducting systems. The knowledge acquired throughout this work opens up opportunities for the design of novel devices for energy-efficient Information and Communication Technologies (e-ICT).