Spin filtering and resistive switching in all-oxide tunnel junctions

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-05-04
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
92 + app. 45
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 46/2015
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.

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.
Description
Supervising professor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
tunnel junction, ferromagnetic, ferrimagnetic, ferroelectric, spin filtering, tunnelling magnetoresistance, resistive switching, tunnel electroresistance, tunneliliitos, ferromagneettinen, ferrimagneettinen, ferrosähköinen, spinsuodatus, tunnelointimagnetoresistanssi, resistanssimuutos, tunnelointielektroresistanssi
Other note
Parts
  • [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 View at publisher
  • [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 View at publisher
  • [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.
Citation