UNIVERSITA’ DI TOR VERGATA

Attività formativa

Manganiti e Magnetoresistenza Colossale

Simone Gentile

Tutor: Dott. Antonello Tebano

INGEGNERIA DEI MODELLI E SISTEMI

18 luglio 2008

CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELLE MANGANITI

CRESCITA E STRUTTURA DEI FILM SOTTILI

CENNI SULLA SPINTRONICALAVORO SPERIMENTALE

• MISURE A QUATTRO PUNTE• MISURE SENZA CAMPO MAGNETICO• MISURE CON CAMPO MAGNETICO

STRUTTURA CRISTALLOGRAFICA

SITO A: RE = terre rare trivalenti, M = Ca, Sr, Ba, Pb bivalenti

SITO B: Mn3+ e Mn4+ nelle proporzioni 1-x e x rispettivamente

O = Ossigeno

LaMnO3 → Drogaggio con M → Mn3+ & Mn4+

STRUTTURA ELETTRONICACAMPO CRISTALLINOINTERAZIONE CON O

DISTORSIONE JAHN-TELLER

OCCUPAZIONE DEGLI ORBITALI

ORDINAMENTO DEGLI SPIN

INTERAZIONI DI SCAMBIOL’interazione Mn-O-Mn controllata dalla sovrapposizione dell’orbitale d

del Mn e quello p dell’O

• M+4-O-Mn+4 AF

• M+3-O-Mn+3 F or AF (trascurabili)

• Mn+3-O-Mn+4 Doppio salto dell’elettrone eg (DE) forte interazione FERROMAGNETICAforte interazione FERROMAGNETICA

• Il DE è il meccanismo basilare della conduzione elettrica nelle manganiti

• Per x=1/3 delocalizzazione

elettrone eg nella fase FM

• competizione tra il comportamento FM e quello isolante AF

• Nella fase P, ρ dipende fortemente da T• Per T<Tc l’allineamento spontaneo degli spin del Mn → delocalizzazione

elettroni → bassa ρ• Allineamento indotto per T ≥ Tc e rinforzato per T ≤ Tc applicando un

campo magnetico esterno H• Campo H → diminuzione della resistenza di qualche ordine di grandezza,

con effetto massimo attorno alla Tc: COLOSSALE MAGNETORESISTENZA

• Per T → Tc la suscettività magnetica X diverge: X = C/(T-Tc)

• La CMR è più grande al diminuire della Tc

TRANSIZIONE METALLO-ISOLANTE E CMR

ENERGETICAMENTE FAVOREVOLE

PER LIVELLI DI DROGAGGIO X Є [0.09-0.15]

Separazione di fase tra regioni AF povere di lacune e regioni F ricche di lacune

vs

Fase omogenea AF

SEPARAZIONE DI FASE

PER T≤TC

T << Tc

tunnelling

PER X = 1/3

CAMMINO PERCOLATIVO

BASSA ρ

T<<Tc

ALTA ρ

Laser MBE deposition systemLaser MBE deposition system

Excimer Laser

KrF =248 nm

T=620°CRAMP 1

NO 2

Mirrors

Main Pumping System

Lens

Targets

Plume

Substrate

Heater

Control of RotatingMulti-targetCarousel

Temperature

Controller

Laser Control

Electron Gunwith differential pumping

FluorescentScreen

Video

e -

Window

100 200 300 400 500

25

50

75

100

125

150

stop

Inte

nsity

(a.

u.)

Time (s)

RHEED OscillationsMonitoring System

Ozone Source 12%Ozonizer

Fast Intro Chamber equipped with heater for in-situ annealing

VARIABILI CHE INFLUENZANO LA CRESCITA DEL FILM:

Temperatura substrato

Pressione gas nella camera

VANTAGGI PLD:

Elevata qualità dei film ottenuti

Semplicità

Costi non molto elevati

SVANTAGGI PLD

o Superficie limitata dei film

o Talvolta presenza di particolato

PLDRHEED

798 ( 10 CELLE )

793 ( 8 CELLE )

EPITASSIA E MICROSTRUTTURA INTERNA

• Tutte le proprietà principali dei film sottili sono governate dalla tensione dovuta al “mismatch” tra reticolo e substrato

• I cristalli singoli più utilizzati come substrato sono: SrTiO3 (a=0.3905 nm, cubico, STO) LaAlO3 (a=0.3788 nm, pseudocubico,

LAO) MgO (a=0.4205 nm, cubico) NdGaO3 (a=0.5426 nm, b=0.5502,

c=0.7706)

δ>0 δ<0

L’anisotropia uniassiale risultante dallo stato di tensione favorisce come assi di facile magnetizzazione tutte le direzioni contenute nel piano del film se il substrato è STO.

La direzione di crescita del film invece è quella favorita da strain per substrato LAO

• Connubio tra elettronica e magnetismo: – spin → la codifica binaria (up e down → 1 e 0) invece della modulazione della

carica elettrica

• Dispositivi progettati per far si che si produca un’interazione tra campo magnetico esterno e portatori che fluiscono all’interno

• Testine di lettura degli hard disk già esistenti si basano sulla GMR (Giant Magnetoresistance)

PRO

CMR → Dipendenza elevata della resistenza dal campo H e possibilità di utilizzare campi più

bassi

CONTRO• Occorre estendere la conoscenza della fisica delle manganiti e della loro struttura

elettronica poiché alcuni fenomeni non sono ancora del tutto chiari

• Effetti di CMR apprezzabili per applicazioni tecnologiche si ottengono a T ancora troppo basse, lontane dai 300 K

• Necessità di campi magnetici troppo elevati

• Ostacoli alla crescita delle manganiti In campo industriale

CENNI SULLA SPINTRONICA

LAVORO SPERIMENTALE• MISURE A QUATTRO PUNTE

• MISURE CON CAMPO MAGNETICO NULLO– Variazione della resistività all’aumentare

dei cicli termici

• MISURE CON CAMPO MAGNETICO (0.8 T)

– Spostamento TI-M

– Caduta della resistenza dovuta al campo magnetico

REALIZZAZIONE DEI CONTATTI E STRUMENTI UTILIZZATI

GENERATORE DI CORRENTE

VOLTMETRO

DITO FREDDO

POMPA DA VUOTOMAGNETE A

BOBINE

FILM

4 CONTATTI

MISURA A QUATTRO PUNTE

RiV ≈ ∞ → RC1eRC2<<RiV

→ RAD = V/I = RF

MISURA A DUE PUNTE

RAD = V/I = RC3+RF+RC4

MISURE CON CAMPO MAGNETICO NULLO

PRIMA MISURA CAMPIONE 798

SECONDA MISURA CAMPIONE 798

MISURA CAMPIONE 793

CONSIDERAZIONI MISURE IN ASSENZA DI CAMPO MAGNETICO

• MISURE DI RESISTENZA RUMOROSE– Campioni non patternati

• VARIAZIONI SULLA RESISTIVITA’– Modifiche nei domini metallici e isolanti

• Variazione orientamento degli spin• Spostamento pareti di dominio

– Transizioni di fase paramagnetico-ferromagnetico non totalmente reversibili

– E’ necessario riportare il campione a temperature molto più alte della Tc affinchè esso riacquisti completamente le proprietà paramagnetiche

MISURE CON CAMPO MAGNETICO

MISURA CAMPIONE 798

MISURA CAMPIONE 793

• SPOSTAMENTO TI-M

• CADUTA DELLA RESISTENZA DOVUTA AL CAMPO MAGNETICO

CONSIDERAZIONI MISURE CON CAMPO MAGNETICO

CONFRONTO

MISURA CAMPIONE 798

MISURE DI MAGNETORESISTENZA

… grazie dell’attenzione!!

Simone Gentile