Made available in DSpace on 2016-06-02T20:15:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseJV.pdf: 3915378 bytes, checksum: f5352fc1801d3994bd3db7390cb8cd4d (MD5) Previous issue date: 2004-10-29 / Financiadora de Estudos e Projetos / In the context of spin electronics, this doctorate thesis presents an experimental study of spin polarized transport in epitaxial heterostructures as planar magnetic tunnel junctions formed by semiconductors and metallic ferromagnets. It was demonstrated that the epitaxial Fe/ZnSe/Fe structures fabricated by molecular beam epitaxy have the microscopic and macroscopic properties necessary for application in magnetic tunnel junctions. The experimental observation of antiferromagnetic coupling in these structures indicates strongly that samples are free of pinholes for barrier thickness down to 25 Å. Spin polarized transport studies using microjunctions demonstrated that the conductance mechanism is the resonant tunneling via defect states in the barrier, reinforcing the idea anticipated theoreticaly that the transport depends on the magnetic tunnel junction structure as a whole. This result is general since defect states near the Fermi energy are expected for semiconductor and insulanting barriers, pointing out the importance of their roles in the understanding of the spin polarized tunneling phenomena. The study of growth properties associated with magnetic properties made possible the use of MnAs films as current polarizer electrode in magnetic tunnel junctions. Experiments exploiting magnetic phase transition were also realized for these MnAs films. Our first results of spin polarized transport in a Fe/ZnSe/MnAs presented a tunnel magnetoresistance variation of 10 %, indicating that MnAs can transmit spin polarized electrons across a ZnSe barrier. / No contexto da eletrônica de spin, esta tese de doutorado apresenta um estudo experimental em física básica sobre transporte polarizado em spin em heteroestruturas epitaxiais do tipo junções túnel magnéticas planares constituídas por semicondutores e ferromagnetos metálicos. Foi demonstrado que as estruturas epitaxiais Fe/ZnSe/Fe fabricadas possuem as propriedades microscópicas e macroscópicas necessárias à aplicação em junções túnel magnéticas. A observação experimental da presença acoplamento antiferromagnético nestas estruturas indica fortemente que as amostras estão livres de pinholes para espessuras de até 25 Å de barreira. Estudos de transporte polarizado em spin em microjunções demonstraram que este ocorre por tunelamento ressonante via estado de defeito na barreira, reforçando a idéia prevista teoricamente de que o transporte polarizado em spin depende da estrutura da junção túnel magnética como um todo. O resultado tem caráter geral pois estados de defeitos próximos à energia de Fermi são esperados para barreiras semicondutoras e isolantes, destacando sua importância na compreensão do fenômeno de tunelamento polarizado em spin. O estudo das propriedades de crescimento dos filmes de MnAs associado com suas propriedades magnéticas possibilitou a utilização deste material como eletrodo polarizador de correntes em junções túnel magnéticas. Também foram realizados experimentos explorando as transições de fases magnéticas destes filmes. São apresentados nossos primeiros resultados de transporte polarizado em spin em uma estrutura Fe/ZnSe/MnAs. Foi observada uma variação de magnetorresistência túnel de 10 %, indicando que o MnAs é capaz de transmitir elétrons polarizados através de uma barreira de ZnSe.

Made available in DSpace on 2016-06-02T20:16:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 1816.pdf: 2942981 bytes, checksum: c07401a4b38696ecd78cf0c96ac0c526 (MD5) Previous issue date: 2008-03-13 / Financiadora de Estudos e Projetos / Electric and magnetic properties of nanoscopic clusters of iron immersed in Zinc Selenide were studied in this work. The system presents superparamagnetic behavior with a weak thermally activate ferromagnetic interaction. Small tunnel magnetoresistence was observed in room temperature (approximately 1% with fields of 30 kOe) and its behavior was observed as a function of temperature and bias. This work demonstrate that a despite of excellent macroscopic and microscopic properties of Fe/ZnSe/Fe epitaxial heterostructures the experimental observation shows small values of tunnel magnetoristance in room temperature. This results shows that the application of this materials in spintronics devices is limited. / As propriedades elétricas e magnéticas de aglomerados nanoscópicos de Fe imersos em matriz de ZnSe foram investigadas. Foi observado que este sistema apresenta um comportamento superparamagnético com pequena interação ferromagnética termicamente ativada. Também foi observada pequena taxa de magnetorresistência túnel em temperatura ambiente (da ordem de 1% para campos de 30 kOe) e observamos o comportamento desta com a temperatura e tensão. O estudo demonstra que, apesar das estruturas epitaxiais Fe/ZnSe/Fe possuírem propriedades microscópicas e macroscópicas necessárias à aplicação em junções túnel magnéticas, a observação experimental apresenta baixas taxas de TMR em temperatura ambiente, o que desencoraja os materiais para aplicações em dispositivos spintrônicos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / We analyze the possibility of using aluminum nitride (AlN) as a piezoelectric tunnel barrier in magnetic or non-magnetic tunnel junctions. Samples in the form of monolayers, bilayers, multilayers and tunnel junctions were produced by magnetron sputtering from an aluminum metal target. The insulating AlN barrier was grown in a reactive atmosphere of argon and nitrogen. Through the monolayers and bilayers we investigated the growth conditions of AlN onto different substrates, buffer, and cap layers. Using x-ray diffraction and transmission electronic microscopy it was possible to verify the excellent degree of texturing of AlN films with the direction <002> perpendicular the substrate plane. The multilayer showed that the use of AlN as a piezoelectric tunnel barrier is feasible, since the crystallographic structure remains when the thickness of the AlN is drastically reduced to a thickness so that quantum tunneling is possible. We also held magnetization measurements and tunnel magnetoresistance in magnetic tunnel junctions. It is important that the coercive fields of the electrodes are different, so that from the application of an external field can be obtained a situation where the magnetization of the electrodes point in opposite directions. The average thickness of the tunnel barrier in multilayers and tunnel junctions were obtained by x-ray diffraction and transmission electron microscopy. The nonlinear IxV curves of tunnel junctions were measured at room temperature and at lower temperatures, and showed a linear behavior at low voltages, and a nonlinear behavior for higher voltages. Measurements of tunnel magnetoresistance showed spin dependent tunneling. Simulations using the Simmons model for symmetric barrier allowed us to obtain the effective area of tunneling, effective thickness of the barrier, and the height of the barrier. Effective area values are some orders of magnitude smaller than the actual area of the junctions, and transmission electron microscopy pictures show that the tunnel transport occurs at some hot spots. In the measurements of the IxV curves we observe a minimum thickness of 6nm for the insulating barrier to be piezoelectric, as the polarization effect was detected. The curves have a shift to negative bias, both in magnetic and non-magnetic tunnel junctions. Using the results of the simulation we verified the exponential pattern of resistance, normalized by the effective area of tunneling, depending on the thickness of the insulator. For effective barrier thickness above 1nm, the barrier height increases with insulator thickness, as expected. For barrier thickness between 0;8 and 1nm, there is a decline in barrier height. We have not found recorded in the literature this type of behavior for normal insulating systems or for piezoelectric materials. / Nesta tese analizamos a possibilidade do uso de nitreto de alumínio (AlN) como barreira túnel piezoelétrica em junções túnel magnéticas ou não magnéticas. Amostras na forma de monocamadas, bicamadas, multicamadas e junções túnel foram produzidas pela técnica de "magnetron sputtering"a partir de um alvo metálico de alumínio. A barreira isolante de AlN foi crescida em uma atmosfera reativa de argônio e nitrogênio. Através das monocamadas e das bicamadas investigamos as condições de crescimento do AlN sobre diferentes substratos, e camadas "buffer"e camadas "cap". Utilizando difração de raio-x e microscopia eletrônica de transmissão foi possível verificar o excelente grau de texturização dos filmes de AlN com a direção <002> perpendicular ao plano do substrato. As multicamadas mostraram que a utilização do AlN como barreira túnel piezoelétrica é viável, pois a estrutura cristalográfica se mantém quando a espessura do AlN é drasticamente reduzida até uma espessura que ocorra o fenômeno de tunelamento quântico. Também foram realizadas medidas de magnetização e de magnetorresistência túnel em junções túnel magnéticas. Nestas, é importante que os campos coercivos dos eletrodos sejam diferentes, para que a partir da aplicação de um campo externo seja possível obter uma situação onde os momentos magnéticos dos eletrodos apontem em sentidos contrários. A espessura média da barreira túnel nas multicamadas e junções túnel foram obtidas através de difração de raio-x e de microscopia eletrônica de transmissão. As curvas IxV não lineares das junções túnel foram medidas a temperatura ambiente e a baixa temperatura, e apresentaram um comportamento linear a baixas tensões e uma relação não linear para tensões mais elevadas. Para a realização de simulações foi utilizado modelo de Simmons para barreira simétrica. Os parâmetros obtidos através deste modelo são, a área efetiva de tunelamento Se f , a espessura efetiva da barreria te f e a altura da barreira f0. Através da observação dos resultados da área efetiva que são algumas ordens de grandeza menores que a área real da junção, e das imagens de microscopia eletrônica de transmissão podemos afirmar que o transporte túnel se dá por "hot spots". Nas medidas das curvas IxV observamos uma espessura mínima de 6nm para a barreira isolante piezoelétrica onde o efeito de polarização foi detectado. As curvas sofrem um deslocamento para tensões negativas, isto ocorre tanto nas junções túnel magnéticas como nas não magnéticas. Utilizando os resultados dos ajustes foi possível verificar o caráter exponencial da resistência, normalizada pela área efetiva de tunelamento, em função da espessura do isolante. Para espessura efetiva da barreira, a partir de 1nm, a altura da barreira aumenta com a espessura do isolante. Resultado este esperado, mostrando uma tendência do crescimento da altura da barreia com a espessura. Para espessura de barreia entre 0;8 e 1nm, há presença de um declínio na altura da barreira. Não encontramos registro na literatura deste tipo de comportamento para sistemas isolantes normais nem para materiais piezoelétricos. Medidas de magnetorresistência túnel nas junções mostraram que o tunelamento é dependente de spin.