Spin filtering and resistive switching in all-oxide tunnel junctions

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Äkäslompolo, Laura
dc.date.accessioned 2015-04-02T09:00:34Z
dc.date.available 2015-04-02T09:00:34Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6155-9 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6154-2 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15450
dc.description.abstract In tunnel junctions, electrons quantum-mechanically tunnel through a thin insulating barrier between two electrodes. Different types of tunnel junctions are used in a variety of solid-state nanoelectronic devices, including transistors, diodes, memories, and magnetic field sensors. In most of these devices, the tunnel barrier acts as a passive element whose properties cannot be modified by external actuation. The use of oxide tunnel barriers with magnetic or ferroelectric order would enable active control of the tunnelling conductance in a magnetic or electric field. Moreover, the physics of oxide electrode-barrier interfaces is very rich and its exploration could lead to new functionalities. In this thesis, two types of all-oxide epitaxial tunnel junctions are studied. First, the growth of tunnel junction with a ferrimagnetic CoFe2O4 barrier is discussed. In this realisation, the tunnel barrier acts as a spin filter. As electrode materials, ferromagnetic La2/3Sr1/3MnO3 and SrRuO3 are used. Different growth sequences are examined on single-crystalline SrTiO3(001) and MgO(001) substrates. X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy reveal that the quality of epitaxial growth is compromised by the large lattice mismatches between the tunnel barrier and the two electrodes. The best results are obtained for SrRuO3/CoFe2O4/La2/3Sr1/3MnO3 trilayers on SrTiO3 substrates. In these structures, the magnetization of the CoFe2O4 barrier and the La2/3Sr1/3MnO3 layer switch at different magnetic field, which is a prerequisite for spin-filter tunnel junctions. Tunnelling magnetoresistance measurements, however, only show a high-field effect, which can be attributed to the La2/3Sr1/3MnO3 electrode. In the second part of this thesis, resistive switching in tunnel junctions with a ferroelectric PbZr0.2Ti0.8O3 or BaTiO3 tunnel barrier and two La2/3Sr1/3MnO3 electrodes is investigated. Despite the nominally symmetric trilayer structure, very large resistive switching effects up to 107 % are obtained at low temperatures. The origin of this phenomenon is discussed in terms of a polarization-induced metal-to-insulator transition in La2/3Sr1/3MnO3 and electric-field driven migration of oxygen vacancies. Transmission electron microscopy measurements reveal clear differences in structural roughness and atomic mixing at the two electrode-barrier interfaces. This breaks the symmetry of the junction and enables hysteretic resistive switching. Model fits to electrical transport data indicate that the potential energy profile of the barrier is asymmetric in the high resistance state and that an insulating interface layer is formed in the La2/3Sr1/3MnO3 bottom electrode. This observation is independently verified by in-plane transport measurements on Hall bar structures. en
dc.description.abstract Sähköisissä tunneliliitoksissa elektronit tunneloituvat kvanttimekaanisesti kahden elektrodin välissä olevan ohuen eristevallin läpi. Erilaisia tunneliliitoksia käytetään monissa nanoelektroniikkalaitteissa. Useimmissa näissä laitteissa tunnelointivalli on passiivinen elementti, jonka ominaisuuksia ei voi muuttaa ulkoisella ohjauksella. Magneettisten tai ferrosähköisten oksiditunnelointivallien käyttö mahdollistaa tunnelointikonduktanssin aktiivisen ohjauksen magneetti- tai sähkökentällä. Lisäksi vallin ja elektrodin oksidirajapinnan monimuotoisia fysikaalisia ilmiöitä tutkimalla voidaan löytää uusia toiminnallisuuksia. Tässä väitöskirjassa tutkitaan kahdenlaisia oksiditunneliliitoksia. Ensimmäisessä osassa tutkitaan spinsuodattavan ferrimagneettisen CoFe2O4 tunnelointivallin kasvatusta. Elektrodeina käytetään ferromagneettisia La2/3Sr1/3MnO3 ja SrRuO3 oksideja. Eri kasvatusjärjestyksiä tutkitaan yksikiteisillä SrTiO3(001) and MgO(001) substraateilla. Röntgendiffraktio- ja läpivalaisuelektronimikroskopiamittaukset osoittavat, että rakenteen epitaksinen laatu kärsii elektrodi- ja vallimateriaalien erisuuruisista hilavakioista. Parhaat tulokset saadaan SrRuO3/CoFe2O4/La2/3Sr1/3MnO3 kolmikerrosrakenteesta SrTiO3 substraatille. Näissä rakenteissa CoFe2O4 ja La2/3Sr1/3MnO3 oksidien magnetoitumien suunnanmuutos tapahtuu erisuuruisilla magnettikentillä, mikä on edellytys spinsuodattaville tunneliliitoksille. Tunnelointimagnetoresistanssimittauksissa havaitaan kuitenkin vain La2/3Sr1/3MnO3 elektrodista johtuvia piirteitä. Toisessa osassa tutkitaan vastusmuutosta tunneliliitoksissa, jotka koostuvat ferrosähköisestä PbZr0.2Ti0.8O3 tai BaTiO3 tunnelointivallista ja kahdesta La2/3Sr1/3MnO3 elektrodista. Symmetrisestä rakenteesta huolimatta tunneliliitoksissa havaitaan vastusmuutos, jonka suuruus on jopa 107 % matalissa lämpötiloissa. Ilmiön alkuperää tarkastellaan polarisaation aiheuttamana metalli-eriste-muutoksena La2/3Sr1/3MnO3 elektrodissa ja sähkökentän aiheuttamana happivakanssien vaelluksena. Läpivalaisumikroskopiamittaukset paljastavat selkeitä eroja elektrodi-valli rajapintojen rakenteellisessa epätasaisuudessa ja atomien sekoittumisessa. Nämä erot rikkovat liitoksen symmetrian ja mahdollistavat hystereesimäisen vastusmuutoksen. Virta-jännite -käyrän sovitus tunnelointimalleihin osoittaa, että tunnelointivallin potentiaalienergiaprofiili on epäsymmetrinen korkean vastuksen tilassa ja La2/3Sr1/3MnO3 pohjaelektrodiin muodostuu eristävä rajapintakerros. Tämä havainto varmistetaan riippumattomasti vastuksen tasomittauksella Hall bar –rakenteessa. fi
dc.format.extent 92 + app. 45
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 46/2015
dc.relation.haspart [Publication 1]: Ana M. Sanchez, Laura Akaslompolo, Qi Hang Qin, and Sebastiaan van Dijken. Toward All-Oxide Magnetic Tunnel Junctions: Epitaxial Growth of SrRuO3/CoFe2O4/La2/3Sr1/3MnO3 trilayers. Crystal Growth and Design, 12, 954–959, February 2012. DOI: 10.1021/cg201418q
dc.relation.haspart [Publication 2]: Laura Akaslompolo, Ana M. Sanchez, Qi Hang Qin, Antti Hakola, Timo Kajava, and Sebastiaan van Dijken. Structural and magnetic properties of pulsed laser deposited SrRuO3/CoFe2O4/La2/3Sr1/3MnO3 magnetic oxide heterostructures on SrTiO3(001) and MgO(001). Applied Physics A, 110, 889–894, March 2013. DOI: 10.1007/s00339-012-7192-z
dc.relation.haspart [Publication 3]: Laura Akaslompolo, Qi Hang Qin, Lide Yao, Sayani Majumdar, Jaianth Vijayakumar, and Sebastiaan van Dijken. Giant tunneling electroresistance in symmetric all-oxide ferroelectric tunnel junctions. Essay, 29 pages, 2015.
dc.subject.other Physics en
dc.title Spin filtering and resistive switching in all-oxide tunnel junctions en
dc.title Spinsuodatus ja vastusmuutos oksiditunneliliitoksissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword tunnel junction en
dc.subject.keyword ferromagnetic en
dc.subject.keyword ferrimagnetic en
dc.subject.keyword ferroelectric en
dc.subject.keyword spin filtering en
dc.subject.keyword tunnelling magnetoresistance en
dc.subject.keyword resistive switching en
dc.subject.keyword tunnel electroresistance en
dc.subject.keyword tunneliliitos fi
dc.subject.keyword ferromagneettinen fi
dc.subject.keyword ferrimagneettinen fi
dc.subject.keyword ferrosähköinen fi
dc.subject.keyword spinsuodatus fi
dc.subject.keyword tunnelointimagnetoresistanssi fi
dc.subject.keyword resistanssimuutos fi
dc.subject.keyword tunnelointielektroresistanssi fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6155-9
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Pertsev, Nikolay A., Dr., A. F. Ioffe Physical-Technical Institute, Russia
dc.contributor.lab Nanomagnetism and Spintronics en
dc.rev Van Bael, Marlies K., Prof., Hasselt University, Belgium
dc.rev Tyunina, Marina, Dos., University of Oulu, Finland
dc.date.defence 2015-05-04


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account