Εναπόθεση και χαρακτηρισμός μαγνητο-ηλεκτρικών υμενίων

Abstract

The project study focuses on deposition and characterization of magnetoelectric films aiming to be used in superstructures (magnetic/magnetoelectric) allowing the electric control of magnetic state. The use of magnetoelectric materials offers innovative solutions on creating a next-generation universal non-volatile memory technology which will combine the advantages of conventional materials. BiFeO3 is one a the few magnetoelectric materials at room temperature being both ferroelectric (ΤC=1100K) and antiferromagnetic (ΤN=670K) and thus it is very promising for such applications. Here we present a study of BiFeO3 and Bi1-XAXFeO3 (A=Ba, Sr, Ca, La) substitutions in both thin film and bulk form. Specifically, polycrystalline BiFeO3 films have been magnetron sputter deposited at room temperature and subsequently heat-treated ex-situ at temperatures between 400 and 700°C. The deposition was done in pure Ar atmosphere, as the use of oxygen-argon mixture was found to lead to non-stoichiometric films due to resputtering of the growing film by the anions. At a target-to-substrate distance d=2″ the BiFeO3 structure can be obtained in larger range process gas pressures (2-7 mTorr) with optimal 3.5 mTorr but he films do not show a specific texture. At d=6″ co-deposition from BiFeO3 and Bi2O3 has been used. As the film structure does not depend on epitaxy similar results are obtained on either glass substrates, oxidized silicon wafers and Pt covered wafers. A Bi2SiO5 impurity phase forms on the substrate side, and does not affect the properties of the main phase. Ba, La, Ca and Sr doping suppress the formation of impurity phases and leakage currents. A neutron diffraction study of the Bi1-xBaxFeO3 series reveals that for x≤0.08 the structure remains the rhombohedral R3c of the parent compound while at higher doping an orthorhombic Cmmm structure characterized by partial chemical ordering of the Bi/Ba ions along the c-axis is stabilized. The magnetic structure remains G-type antiferromagnetic throughout the series but only x≤0.04 samples show evidence of the spin-cycloid modulation that is suppressed at higher doping.

Tο προτεινόμενο έργο εστιάζεται στην σύνθεση και τον χαρακτηρισμό μαγνητοηλεκτρικών υμενίων, με σκοπό την χρήση τους σε υπερδομές (μαγνητικών/ μαγνητοηλεκτρικών) που επιτρέπουν τον ηλεκτρικό έλεγχο της μαγνητικής κατάστασης. H χρήση μαγνητοηλεκτρικών υλικών προσφέρει καινοτόμες λειτουργικότητες και ανοίγει δρόμους για να νέες λύσεις, όσον αφορά την δημιουργία μιας καθολικής τεχνολογίας μνήμης που να συνδυάζει πλεονεκτήματα διαφόρων συμβατικών υλικών. Το BiFeO3 είναι πολύ ελπιδοφόρο για τέτοιες εφαρμογές εφόσον είναι από τα λίγα μαγνητοηλεκτρικά υλικά σε θερμοκρασία δωματίου όντας ταυτόχρονα σιδηροηλεκτρικό (με Τc=1100Κ) και αντισιδηρομαγνητικό (με ΤΝ=670Κ). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται μια μελέτη εναπόθεσης υμενίων φερρίτη του βισμουθίου και υποκαταστάσεων της μορφής Bi1-xAxFeO3 (A=Ba, Sr, Ca, La) τόσο σε μορφή λεπτών υμενίων όσο και σε μαζική μορφή. Συγκεκριμένα πολυκρυσταλλικά υμένια BiFeO3 έχουν εναποτεθεί με magnetron sputtering σε θερμοκρασία δωματίου και στη συνέχεια υπέστησαν θερμική επεξεργασία ex-situ σε θερμοκρασίες 400 και 700°C. Η εναπόθεση έγινε σε καθαρή ατμόσφαιρα Ar καθώς η χρήση μίγματος Ar–Ο2 βρέθηκε να οδηγεί σε μη στοιχειομετρικά υμένια λόγω resputtering του αναπτυσσόμενου υμενίου από τα ανιόντα. Σε απόσταση στόχου – υποστρώματος d=2’’ η δομή του BiFeO3 μπορεί να ληφθεί σε μεγάλο εύρος πίεσης αερίου (2-7mTorr) με βέλτιστη τα 3.5mTorr αλλά τα υμένια δεν παρουσιάζουν συγκεκριμένο κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό. Για απόσταση στόχου – υποστρώματος d=6’’ έγινε συνεξάχνωση από στόχους BiFeO3 και Bi2O3. Καθώς η δομή των υμενίων δεν εξαρτάται από την επιταξία παρόμοια αποτελέσματα λαμβάνονται σε υάλους, wafer πυριτίου και στρώματα λευκόχρυσου. Ο σχηματισμός της φάσης του πυριτικού βισμουθίου Bi2SiO5 περιορίζεται στη πλευρά του υποστρώματος και έτσι δεν αναμένεται να επηρεάσει τις ιδιότητες της κύριας φάσης. Η νόθευση με Ba, Sr, La, και Ca καταστέλλει το σχηματισμό των φάσεων πρόσμιξης και του ρεύματος διαρροής. Μια μελέτη περίθλασης νετρονίων της σειράς Bi1-xBaxFeO3 σε μαζική μορφή έδειξε ότι για x≤0.08 η δομή παραμένει ρομβοεδρική R3c όπως της αρχικής ένωσης, ενώ σε υψηλότερες νοθεύσεις μια ορθορομβική δομή Cmmm χαρακτηρίζεται μερικώς από τη χημική τάξη των ιόντων Bi/Ba κατά μήκος του άξονα c. Η μαγνητική δομή παραμένει G-τύπου σε όλη τη σειρά αλλά μόνο δείγματα με x ≤0.04 παρουσιάζουν ενδείξεις διαμόρφωσης κυκλοειδούς σπιν που καταστέλλεται σε υψηλότερες νοθεύσεις.