UNIVERSITA’ DI TOR VERGATA Attività formativa Manganiti e Magnetoresistenza Colossale

1. UNIVERSITA’ DI TOR VERGATA Attività formativa Manganiti e Magnetoresistenza Colossale Simone Gentile Tutor: Dott. Antonello Tebano INGEGNERIA DEI MODELLI E SISTEMI 18 luglio 2008

2. CARATTERISTICHE CHIMICO-FISICHE DELLE MANGANITI • CRESCITA E STRUTTURA DEI FILM SOTTILI • CENNI SULLA SPINTRONICA • LAVORO SPERIMENTALE • MISURE A QUATTRO PUNTE • MISURE SENZA CAMPO MAGNETICO • MISURE CON CAMPO MAGNETICO

3. 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 ELETTRONICA CAMPO CRISTALLINO INTERAZIONE CON O DISTORSIONE JAHN-TELLER

4. OCCUPAZIONE DEGLI ORBITALI ORDINAMENTO DEGLI SPIN

5. INTERAZIONI DI SCAMBIO L’interazione Mn-O-Mn  controllata dalla sovrapposizione dell’orbitaled 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 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

6. TRANSIZIONE METALLO-ISOLANTE E CMR • 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

7. ENERGETICAMENTE FAVOREVOLE CAMMINO PERCOLATIVO BASSA ρ SEPARAZIONE DI FASE tunnelling PER T≤TC T<<Tc ALTA ρ 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 PER X = 1/3 T << Tc

8. 150 125 100 stop Intensity (a.u.) 75 50 25 100 200 300 400 500 RHEED Oscillations Time (s) Excimer Laser Monitoring System l= KrF =248 nm Laser Control T=620°C RAMP 1 Mirrors Video Lens Window Temperature Controller Fluorescent Screen Substrate Targets Heater Fast Intro Chamber equipped with heater for in-situ annealing Plume NO 2 e - Control of Rotating Multi-target Carousel Ozone Source 12% Ozonizer Electron Gun with differential pumping Main Pumping System Laser MBE deposition system

9. PLD RHEED • 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 • Superficie limitata dei film • Talvolta presenza di particolato 798 ( 10 CELLE ) 793 ( 8 CELLE )

10. δ>0 δ<0 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) 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

11. CENNI SULLA SPINTRONICA • 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

12. 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

13. 4 CONTATTI FILM REALIZZAZIONE DEI CONTATTI E STRUMENTI UTILIZZATI VOLTMETRO GENERATORE DI CORRENTE DITO FREDDO POMPA DA VUOTO MAGNETE A BOBINE

14. MISURA A QUATTRO PUNTE RiV ≈ ∞ → RC1eRC2<<RiV → RAD = V/I = RF MISURA A DUE PUNTE RAD = V/I = RC3+RF+RC4

15. MISURE CON CAMPO MAGNETICO NULLO PRIMA MISURA CAMPIONE 798

16. SECONDA MISURA CAMPIONE 798

17. MISURA CAMPIONE 793

18. 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

19. MISURE CON CAMPO MAGNETICO MISURA CAMPIONE 798

20. MISURA CAMPIONE 793

21. CONSIDERAZIONI MISURE CON CAMPO MAGNETICO • SPOSTAMENTO TI-M • CADUTA DELLA RESISTENZA DOVUTA AL CAMPO MAGNETICO

22. CONFRONTO MISURA CAMPIONE 798

25. MISURE DI MAGNETORESISTENZA

26. … grazie dell’attenzione!!Simone Gentile