El monóxido de europio EuO es un material ferromagnético que muestra una gran variedad de fenómenos físicos y se utiliza a menudo como sistema ideal. Cabe destacar el efecto Kerr, el transporte de espín y, para EuO , una transición metal-aislante con magnetorresistencia colosal. EuO es el único óxido binario conocido que se puede crecer termodinámicamente estable en contacto con silicio. Este óxido puede utilizarse para la inyección de espines ajustando su conductividad a la del silicio o también cómo barrera túnel. Mediante el dopaje, normalmente con lantánidos o Eu, puede aumentarse la temperatura de Curie por encima de los 69K. Las dificultades inherentes a la fabricación de películas delgadas de EuO hacen su aplicación difícil, porque forma fácilmente oxidos no magnéticos, Eu O o Eu O . En esta tesis se estudian también compuestos relacionados como EuS y Eu O .
En un primer intento se utilizó la deposición por láser pulsado, donde debido al alto contenido de oxígeno en la cámara se creció Eu O epitaxial. Este óxido de europio tiene aplicaciones en recubrimientos fotoactivos, almacenamiento de datos ópticos, pantallas fluorescentes y dispositivos microelectrónicos debido a su excelente comportamiento dieléctrico. Esta tesis presenta el primer ejemplo de crecimiento epitaxial de una película delgada de Eu O mediante técnicas en fase de vapor.
Se describen los intentos de depositar EuO mediante pulverización catódica a partir de un blanco metálico. Siendo esta técnica la preferida en aplicaciones industriales, se estudió el efecto de diferentes substratos, y de capas intermedias y de protección. La alta reactividad del Eu en el interior del plasma provoca una mala reproducibilidad de las deposiciones y la presencia simultánea de varios óxidos de Eu que se determinó mediante rayos X.
La deposición por MBE es actualmente la técnica preferida para conseguir crecimiento de EuO de alta calidad, porque ofrece un gran control de los parámetros críticos de la deposición. Gracias a su perfecta compatibilidad estructural, el YSZ facilita el crecimiento epitaxial de EuO. Hemos observado que se pueden superar problemas en el depósito mediante la introducción de una capa intermedia de MgO, con la que incluso se mejoró la cristalinidad de las capas. Al considerar las aplicaciones del EuO, el dopaje es relevante, porque permite el aumento de la temperatura de Curie y una modificación de la resistividad de varias órdenes de magnitud. Hemos demostrado que EuO dopado con un porcentaje muy bajo de Se muestra un gran aumento de la temperatura de Curie. Como no existe ningun modelo para este caso concreto en la literatura, se analiza el mecanismo que puede dar lugar a este comportamiento atípico.
En esta memoria también se presentan las primeras medidas nanocalorimétri-cas de películas delgadas de EuO. Aparte de mejorar el sistema de medición, se ha desarrollado un formalismo matemático que permite un cálculo más preciso de la capacidad calorifica. Se han medido capas de EuO con espesores de unos pocos nanómetros. Se observa una disminución de las temperaturas de Curie y Debye al disminuir el espesor. También se modifica la entropía magnética, debido al aumento de átomos con baja coordinación a través de la superficie o las juntas de grano.
El último capítulo trata de barreras ferromagnéticas y aislantes de EuS, que son menos reactivas y similares a las barreras de EuO, utilizadas para hacer medidas de transporte. El efecto de la intercara entre EuS y aluminio superconductor se ha investigado mediante la introducción de capas delgadas intermedias de Cu y Si en las juntas. Se ha observado un pico anómalo a bias cero, que tiene un comportamiento histerético cuando se aplica un campo magnético. La polarización de espín máxima que se obtuvo fue del 56%. / Ferromagnetic europium monoxide (EuO) displays a huge variety of physical phenomena and due to its simple structure it is often used as a model system. It shows magneto-optic Kerr effect, spin-dependent transport and, in the case of Eu doped EuO, a metal-insulator transition showing a colossal magnetoresistance. EuO is also the only known binary oxide that can be grown in a thermodynamically stable form in contact with silicon. The application of EuO for spin injection either by matching its conductivity or by using it as insulating tunnel barrier has been shown. Its relatively low Curie temperature of 69 K can be enhanced by doping, normally with lanthanides or metal europium.
However, problems of fabricating thin EuO films make its implementation difficult. Europium monoxide readily forms higher, non-magnetic oxides Eu O and Eu O , when exposed to air. Also recent studies still report on considerable amounts of present in the samples. This thesis focuses on the growth, magnetic properties and heat capacity of EuO. Also, related compounds, such as EuS and Eu O are studied. Several techniques, such as sputtering, molecular beam epitaxy (MBE) and pulsed laser deposition (PLD), are used to obtain high quality EuO thin films on yttria-stabilized cubic zirconia (YSZ) (001) and silicon substrates.
In a first step the growth of epitaxial EuO on YSZ was attempted using pulsed laser deposition. Due to the high oxygen content in the chamber epitaxial Eu O was grown. This is the most used form of the europium oxides nowadays, as it can be implemented in photoactive coating, optical data storage , and fluorescent displays due to its luminescence properties. Due to its high dielectric strength recently it was also used in microelectronic devices as high dielectric gates. However, studies on high quality epitaxial Eu O are still scarce. To our knowledge this PhD represents the first example of epitaxial growth of a thin film of Eu O by vapor phase techniques.
In order to make EuO accessible for industrial purposes sputter deposition is the preferred option. Attempts of EuO deposition by sputtering from a metal target are described. The effect of different substrates, inter- and capping layers is discussed. We show that the high reactivity of Eu inside the plasma leads to bad reproducibility of depositions. X-ray measurements were used to determine the approximate content of the Eu-EuO-Eu O films.
At the moment MBE deposition is the technique of choice for high quality EuO growth, as it offers great control of all critical deposition parameters. Due to its perfect lattice match YSZ eases the growth of epitaxial EuO. By introducing an MgO buffer layer problems in the deposition could be overcome and crystallinity was enhanced. When considering applications of EuO, doping is an important topic, since it allows the enhancement of the Curie temperature and the tuning of the resistivity over various orders of magnitude. We have shown that doping EuO with a very low percentage of Se, surprisingly, shows a large enhancement of the Curie temperature. As no model exists for this case, the mechanism for the enhancement of the Curie temperature by Se is discussed.
The first nanocalorimetric measurements on EuO thin films are presented. Apart from improving the measurement system, a mathematical formalism was developed to allow a more accurate calculation of the heat capacity. Thin films of EuO could be measured in thicknesses down to a few nanometers, where size effects come to play. A decrease of the Curie and Debye temperature as well as the magnetic entropy is observed due to the decrease in the number of nearest magnetic interaction neighbors at the surface.
Ferromagnetic insulating EuS barriers - similar to EuO barriers - were also used along this thesis for transport measurements, because they are less reactive and therefore can be deposited in good quality in evaporation chambers with a higher base pressure. The effect of the interface between EuS and superconducting aluminium is investigated by introducing thin Cu and Si interlayers in SC-FI-SC junctions. A zero bias peak is observed, which is hysteretic with respect to an applied magnetic field. The origin of this feature is discussed. The maximum spin polarization that was obtained is about 56 %.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:TDX_UAB/oai:www.tdx.cat:10803/117519 |
| Date | 20 December 2012 |
| Creators | Moder, Iris |
| Contributors | Rodríguez Viejo, Javier, Universitat Autònoma de Barcelona. Departament de Física |
| Publisher | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Source Sets | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Language | Catalan |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| Format | 118 p., application/pdf |
| Source | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
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