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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufsm.br:1/3929 |
| Date | 20 January 2015 |
| Creators | Pace, Rafael Domingues Della |
| Contributors | Dorneles, Lucio Strazzabosco, Fichtner, Paulo Fernando Papaleo, Radtke, Cláudio, Denardin, Juliano Casagrande, Zimmer, Fábio Mallmann |
| Publisher | Universidade Federal de Santa Maria, Programa de Pós-Graduação em Física, UFSM, BR, Física |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSM, instname:Universidade Federal de Santa Maria, instacron:UFSM |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 100500000006, 400, 300, 300, 300, 300, 300, 300, e5de4f50-b352-48fb-a699-ffab7b7d8f1d, 6900e0c4-9fae-4d5d-baa7-165aaeb44c56, 077cc69e-059a-48ba-87bb-deadaed3aed5, 865d0972-67fb-4cd0-8948-010a985d3791, 62d91574-eca5-4513-b708-f5bbf4ec9ddc, 0ef7d3ef-f923-47db-b9f7-aee5eccb37e1 |
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