UNIVERSITA’ DI TOR VERGATA
Attività formativa
Manganiti e Magnetoresistenza
Colossale
Simone Gentile
Tutor: Dott. Antonello Tebano
INGEGNERIA DEI MODELLI E SISTEMI
18 luglio 2008
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
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
OCCUPAZIONE DEGLI ORBITALI
ORDINAMENTO DEGLI SPIN
INTERAZIONI DI SCAMBIO
L’interazione Mn-O-Mn  controllata dalla sovrapposizione dell’orbitale d
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
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
SEPARAZIONE DI FASE
tunnelling
PER T≤TC
T<<Tc
ALTA ρ
PER X = 1/3
T << Tc
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
CAMMINO PERCOLATIVO
ENERGETICAMENTE
FAVOREVOLE
BASSA ρ
Laser MBE deposition system
150
Intensity (a.u.)
125
100
RHEED Oscillations
Monitoring System
stop
75
50
25
100
200
300
400
500
Time (s)
Excimer Laser
KrF
l==248nm
Laser Control
Video
Lens
Fluorescent
Screen
Mirrors
Window
Temperature
Controller
Substrate
Targets
Heater
Fast Intro Chamber equipped with
heater for in-situ annealing
Control of Rotating
Multi-target
Carousel
Plume
NO
2
eOzone Source 12%
Main Pumping System
Electron Gun
with differential pumping
Ozonizer
PLD
RHEED
VARIABILI CHE INFLUENZANO LA
CRESCITA DEL FILM:
Temperatura substrato
Pressione gas nella camera
VANTAGGI PLD:
Elevata qualità dei film ottenuti
Semplicità
798 ( 10 CELLE )
Costi non molto elevati
SVANTAGGI PLD
o Superficie limitata dei film
o Talvolta presenza di particolato
793 ( 8 CELLE )
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
δ>0
δ<0
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
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
REALIZZAZIONE DEI CONTATTI
E STRUMENTI UTILIZZATI
4 CONTATTI
FILM
VOLTMETRO
GENERATORE DI CORRENTE
POMPA DA VUOTO
DITO FREDDO
MAGNETE A
BOBINE
MISURA A QUATTRO PUNTE
RiV ≈ ∞ → RC1eRC2<<RiV
→ RAD = V/I = RF
MISURA A DUE PUNTE
RAD = V/I = RC3+RF+RC4
MISURE CON CAMPO MAGNETICO NULLO
PRIMA MISURA CAMPIONE 798
SECONDA MISURA CAMPIONE 798
MISURA CAMPIONE 793
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
MISURE CON CAMPO MAGNETICO
MISURA CAMPIONE 798
MISURA CAMPIONE 793
CONSIDERAZIONI MISURE CON CAMPO
MAGNETICO
• SPOSTAMENTO TI-M
• CADUTA DELLA RESISTENZA DOVUTA AL
CAMPO MAGNETICO
CONFRONTO
MISURA CAMPIONE 798
MISURE DI MAGNETORESISTENZA
… grazie dell’attenzione!!
Simone Gentile