Magnetotransportowe własności złączy metal/tlenek metalu/metal

Abstract

Magnetoopór jest jednym z najczęściej wykorzystywanych zjawisk magnetycznych w zastosowaniach komercyjnych takich jak magazynowanie danych na dyskach twardych wraz z ich odczytem za pomocą głowicy magnetooporowej, czy też czujnikach pola magnetycznego bądź w magnetycznych pamięciach operacyjnych. Obecnie bada się układy, w których łączy się właściwości półprzewodnikowe oraz magnetyczne, aby stworzyć urządzenia spintroniczne, charakteryzujące się niższym zużyciem energii i większą szybkością działania. W poniższej pracy przedstawiłem metody wytworzenia złączy metal/tlenek metalu/metal, w których środkowa warstwa jest półprzewodnikiem powstałym poprzez anodyzację tytanu albo żelaza. Anodyzacja jest elektrochemicznym procesem służącym do produkcji tlenków metali przejściowych, charakteryzujących się występowaniem jednorodnych i uporządkowanych nanostruktur, które mogą przyjmować formę nanoporów lub nanorurek. Występowanie przestrzennie uporządkowanych struktur o rozmiarach dziesiątek nanometrów wpływa na własności magnetyczne oraz elektryczne całego złącza. Dodatkowo, anodyzacja jest procesem, który umożliwia kontrolowanie rozmiarów oraz typu nanostruktur za pomocą przyłożonego napięcia, kompozycji elektrolitu, temperatury oraz czasu. Głównym celem niniejszej rozprawy było stworzenie nanostrukturyzowanego złącza Schottky'ego z dwiema barierami potencjału, które dodatkowo jest czułe na zewnętrzne pole magnetyczne. W trakcie badań wytworzyłem cztery kombinacje złączy metal/tlenek metalu/metal (użyte metale to Ti oraz Fe), a następnie wybrałem jedno z nich do dalszych badań dotyczących wpływu nanostrukturyzacji na jego własności fizyczne. Obrazowanie powierzchni tlenków pokazało ziarnistą morfologię w układach anodyzowanych przy niskim potencjale 5 V oraz nanoporowate struktury dla wyższych napięć 15 V oraz 60 V. Własności półprzewodnikowe potwierdziłem poprzez wyznaczenie wartości przerwy energetycznej równej 2,3 eV dla obu tlenków. Pomiary profili głębokościowych potwierdziły strukturę warstwową złączy, natomiast międzywierzchnia tlenek metalu/metal ujawniły występowanie dyfuzji tlenu do górnej warstwy metalu. Wyniki badań za pomocą magnetometru typu SQUID pozwoliły na określenie podstawowych wielkości magnetycznych. Ponadto, analiza pętli histerezy pokazała istnienie dwóch faz magnetycznych w badanych układach. Większość wytworzonych złączy charakteryzuje się przewodnictwem omowym, poza układem tytan/tlenek tytanu/żelazo o charakterystyce diody Schottky'ego posiadającym pojedynczą barierę potencjału w temperaturze pokojowej oraz dwie bariery energetyczne w temperaturze 50 K. Magnetoopór dla złączy o przewodnictwie omowym ma dodatnie wartości w temperaturze pokojowej oraz ujemne w temperaturze 5 K. Dla złącza Schottky'ego wartości magnetooporu są dodatnie w całym mierzonym zakresie temperatur, a także silnie zależą od polaryzacji prądu.

Magnetoresistance is a phenomenon most often used in commercial applications such as data storage in hard drives, read-heads, magnetic field sensors, or in magnetic random access memories. At present, scientific interest focuses on systems which combine the semiconducting and magnetic properties for the creation of spintronic devices with low power consumption and high speed of work.

In this work, I present methods of the production of metal/metal oxide/metal junctions in which interlayer is a semiconductor made by anodization of titanium or iron. Anodization is an electrochemical process used for the fabrication of oxides with homogenous and well-ordered nanostructures in form of nanopores or nanotubes. The electrical and magnetic properties of investigated junctions are strongly influenced by the presence of spatially ordered structures of the size of tens nanometers. Additionally, anodization is a process that allows easy tuning of the sizes and types of nanostructures by the applied voltage, electrolyte composition, temperature, and time.

The main goal of this thesis was to create a nanopatterned Schottky junction with two potential barriers which is additionally sensitive to an external magnetic field. To achieve this aim I fabricated four cobinations of metal/metal oxide/metal junctions (the metals used were Ti or Fe), and then selected one for further research on the effect of nanopatterning on its physical properties. Imaging of the oxide surfaces showed a granular morphology in anodized systems at a low potential of 5 V and nanoporous structures at higher voltages of 15 V and 60 V. I confirmed the semiconductor properties of oxides by determining the value of the energy gap equal to 2,3 eV for both oxides. Measurements of the depth profiles confirmed the layered structure of the junctions, while the oxide/metal interface revealed the presence of oxygen diffusion into the upper metal layer. The results of the research with the use of the SQUID magnetometer allowed to determine the basic magnetic quantities. Moreover, the analysis of the hysteresis loop showed the existence of two magnetic phases in the tested systems. Most of the fabricated junctions are characterized by ohmic conductivity, except for the titanium/titanium oxide/iron system with Schottky diode characteristics, having a single potential barrier at room temperature and two energy barriers at a temperature of 50 K. The magnetoresistance for junctions with ohmic conductivity is positive at room temperature and negative at 5 K. For the Schottky junction, the magnetoresistance values are positive in the entire measured temperature range, and also strongly depend on the current polarization.