Nuevos Óxidos Metálicos Ferromagnéticos

• Main Author: Rubi, Diego
• Other Authors: Fontcuberta i Griñó, Josep
• Format: Doctoral Thesis
• Language: Spanish
• Published: Universitat Autònoma de Barcelona 2006
• Subjects: Espintrónica; Semiconductores mangéticos diluidos; Dobles perovskitas; Ciències Experimentals; 621.3
• Online Access: http://hdl.handle.net/10803/3382; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:8469022105

Desde la invención del transistor en la década del 40', los dispositivos electrónicos han basado su funcionamiento en la manipulación de la carga del electrón para almacenar o procesar información. Sin embargo, desde hace algunos años se viene realizando un intenso trabajo de investigación destinado a la implementación de una nueva generación de dispositivos, denominados de electrónica de espín o espintrónica, que además de aprovechar la carga del electrón puedan hacer uso de su grado de libertad de espín. Entre los materiales con potencial aplicación en dispositivos de espintrónica hay que mencionar: i) los materiales ferromagnéticos con una banda de conducción completamente polarizada en espín, tales como las manganitas, las dobles perovskitas, o la magnetita; y ii) los semiconductores magnéticos diluidos (DMS), obtenidos al dopar con cationes magnéticos como el Co o el Mn semiconductores standard como ZnO, SnO2, o TiO2. En esta Tesis se ha abordado el estudio de ambas familias de materiales. En primer lugar se estudiaron las propiedades estructurales, magnéticas, eléctricas y espectroscópicas de distintas series de dobles perovskitas de tipo A2FeMoO6 (A=Sr, Ca). Estos materiales presentan una temperatura de Curie por encima de temperatura ambiente (TC~400K) y poseen una banda de conducción polarizada en espín, por lo que han generado un enorme interés en los últimos años en la comunidad científica. En particular, nuestro estudio se centró en el desarrollo de métodos que permitan elevar la TC de estos materiales, ampliando de esta manera el rango de operabilidad en temperatura de posibles aplicaciones. Se han explorado exitosamente dos formas de elevar la TC de las dobles perovskitas: el dopaje electrónico y la introducción de interacciones antiferromagnéticas locales que refuerzan el ferromagnetismo de largo rango. Sin embargo, el precio a pagar por el aumento de TC es, en ambos casos, un aumento importante del desorden catiónico y una crítica reducción de la magnetorresistencia del material, por lo que sus propiedades funcionales se ven severamente afectadas. En paralelo con el trabajo descrito anteriormente, y según se recoge en la segunda parte de esta Tesis, se llevó a cabo un intenso esfuerzo en colaboración con la industria destinado a desarrollar un sensor magnético sin contactos basado en capas gruesas magnetorresistivas de doble perovskita. Finalmente, la tercera parte de esta memoria describe los estudios realizados en muestras policristalinas nanométricas del DMS TM:ZnO (TM:Co,Mn). En particular, se ha prestado especial atención a la determinación del carácter (intrínseco o extrínseco) del ferromagnetismo observado en algunas de las muestras. El análisis realizado permite otorgar a dicho ferromagnetismo un carácter intrínseco, donde la presencia de defectos puntuales tiene un rol fundamental en su estabilización. Adicionalmente, se propone que dicho ferromagnetismo está probablemente asociado a una capa superficial de algunos nanómetros de espesor. Se ha desarrollado una metodología que permite controlar el ferromagnetismo de estos materiales mediante tratamientos térmicos a bajas temperaturas en atmósferas adecuadas, de forma que somos capaces de "encender" y "apagar" el ferromagnetismo tanto de Mn:ZnO como de Co:ZnO. Los resultados obtenidos son un paso importante en la comprensión y control de la interacción magnética de estos complejos e interesantes sistemas. === Since the invention of the transistor in the late 40's, electronic devices have taken advantage of the electronic charge in order to process or store information. However, it has been recently proposed that, besides the electronic charge, the spin of the electrons could also be used for similar purposes. This field of research has been called spin electronics or spintronics, and is intended to lead to a new generation of devices with improved or even new functionalities with respect standard electronic devices. Among the materials with potential for spintronics we could mention: i) ferromagnetic materials displaying a fully polarized conduction band, such as manganites, double perovskites or magnetite; and ii) diluted magnetic semiconductors systems, consisting in standard semiconductors such as ZnO, TiO2 or SnO2 doped with small amounts of magnetic ions such as Mn or Co.This Thesis deals with the study of both families of materials. In the first place, we have focused on the study of the structural, magnetic, electrical and spectroscopic properties of several double perovskitas series of the type A2FeMoO6 (A=Sr, Ca), which display Curie temperatures (TC) above room temperature (~400K) and present a fully spin polarized conduction band. These two fact make them very promising for device applications, and justify the important attention that have generated in the scientific community during the past years. In particular, our study was focused on the development of different approaches to increase the TC of double perovskites, which would enlarge the temperature working range of potential applications. We have successfully explored two approaches to increase TC: electron doping and the introduction of local antiferromagnetic interactions in the Fe-Mo sub-lattice, which reinforce the overall ferromagnetism. However, we have found that the aforementioned TC rise is accompanied in all cases by a strong increase of the cationic disorder and a critical reduction of the magnetoresistance, being seriously affected in this way the functional properties of the material. We should remark that the performed studies allowed us to get a good insight into the fundamental physics of these materials. In addition, we have been also involved in a joint project with industrial partners aimed to develop a contact-less magnetic sensor based on thick double perovskite films. This work is described in the second part of this manuscript.The third part of the Thesis deals with the characterization of TM:ZnO (TM:Co, Mn) nanopowders. Special attention was paid to determine the character (intrinsic or extrinsic) of the ferromagnetism observed in some of the studied samples. We propose this ferromagnetism as being intrinsic, and we suggest that it is probably associated to a surface effect. Moreover, we have found that the ferromagnetism can be controlled (switched "on" and "off") by means of low temperature annealings under suitable atmospheres, constituting a phenomenology consistent with a ferromagnetic interaction mediated by point-defects. We believe that the obtained results could be of importance in order to get a better understanding and control of the ferromagnetism of these fascinating DMS's, paving the way for the achievement of materials with improved properties and suitable for practical spintronics devices.