Magnetic and photoactive iron-based inorganic-organic thin films by atomic/molecular layer deposition

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2022-08-23

Department

Major/Subject

Functional Materials

Mcode

CHEM3025

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

80

Series

Abstract

Components such as magnetic writing and reading heads that are built of magnetic thin films are essential part of current electronics. Magnetic thin films are also key components for a myriad of next generation electronic and spintronic devices from high-density data storage to biomedical applications. These thin films face demanding requirements such as excellent uniformity and conformality. Atomic layer deposition (ALD) is the most suitable thin film fabrication method to fulfil these requirements. It is based on self-terminating chemical reactions which enable high controllability over film growth, excellent film quality and unmatched conformality. This thesis includes a review of all magnetic thin film materials deposited by ALD thus far to provide insight on current status of the research field. The next-generation devices can also take advantage of completely novel thin film materials. A route to achieve new, multifunctional materials is to combine inorganic and organic components together. Atomic/molecular layer deposition (ALD/MLD) is an ingenious way of fabricating inorganic-organic thin films to combine characteristic properties of both materials, and to create new complex properties. In this thesis, photoactive magnetic ε-Fe2O3 – stilbene inorganic-organic superlattice thin films were fabricated by ALD/MLD for the first time. ε-Fe2O3 is an exceptionally hard room-temperature ferromagnet for a single phase, single valent compound. ALD is a superior technique in the deposition of magnetic ε-Fe2O3 thin films despite its metastable nature. Stilbene is a photoactive organic molecule capable of trans – cis photoisomerization under ultraviolet-visible (UV-vis) light irradiation. Incorporating stilbene layers in the ε-Fe2O3 matrix enables optical control of the magnetic properties of the oxide phase. Metalorganic iron-stilbene thin films were fabricated prior to the superlattice deposition to understand how the iron-stilbene system works. Film composition and structure were analysed but magnetic measurements were not included. Both iron-stilbene and ε-Fe2O3 – stilbene superlattice thin films were rather successfully fabricated, although some non-idealities remained. The iron-stilbene depositions did not show self-terminating characteristics which in fact affected the deposition of ε-Fe2O3 – stilbene superlattices. Also, photoisomerization of the superlattices could not be demonstrated which might have been caused by thick iron oxide layers that may have acted as UV barriers. However, preliminary results indicate that the quality, and thus, properties of the films can be improved through further research.

Magneettisista ohutkalvoista koostuvat komponentit kuten magneettiset kirjoitus- ja lukupäät ovat elintärkeitä nykyelektroniikassa. Magneettiset ohutkalvot ovat keskeisiä myös lukemattomille seuraavan sukupolven elektroniikan ja spintroniikan laitteille suuren muistitiheyden tiedon tallennuslaitteista biolääkinnällisiin sovelluksiin. Ohutkalvoihin kohdistuu monia vaatimuksia kuten erinomainen kalvon yhtenäisyys sekä kolmiulotteisten kalvojen tasaisuus. Atomikerroskasvatus (ALD) on mitä sopivin ohutkalvojen valmistusmenetelmä vastaamaan näihin vaatimuksiin. Se perustuu itserajoittaviin kemiallisiin pintareaktioihin, mikä mahdollistaa erinomaisen kalvon kasvatuksen hallinnan, kalvon laadun, sekä kyvyn pinnoittaa kolmiulotteisia rakenteita. Tämä diplomityö sisältää katsauksen kaikista ALD-menetelmällä tähän mennessä valmistetuista magneettisista ohutkalvomateriaaleista. Seuraavan sukupolven laitteet voivat myös hyödyntää täysin uusia ohutkalvomateriaaleja. Yksi tapa valmistaa uusia ja monitoiminnallisia materiaaleja on yhdistää epäorgaanisia ja orgaanisia materiaaleja keskenään. Atomi/molekyylikerroskasvatus (ALD/MLD) menetelmä on nerokas tapa valmistaa epäorgaanis-orgaanisia ohutkalvoja ja siten yhdistää molemmille materiaalityypeille ominaiset ominaisuudet, sekä luoda uusia materiaaliominaisuuksia. Tässä diplomityössä valmistettiin ε-Fe2O3–stilbeeni epäorgaanis-orgaanisia superhila-ohutkalvoja ALD/MLD menetelmällä ensimmäistä kertaa. ε-Fe2O3 on hyvin yksinkertaiseksi binääriseksi yhdisteeksi poikkeuksellisen vahva ferromagneetti huoneenlämpötilassa. Stilbeeni on fotoaktiivinen orgaaninen molekyyli, joka kykene trans – cis fotoisomerisaatioon ultravioletti-näkyvän valon vaikutuksesta. Näiden kahden materiaalin yhdistäminen mahdollistaa ε-Fe2O3:n magneettisten ominaisuuksien kontrolloimisen fotonien avulla. Lisäksi työssä valmistettiin kiteisiä metalli-orgaanisia rauta-stilbeeni ohutkalvoja ALD/MLD-menetelmällä ennen superhilojen kasvatusta. Kalvojen koostumukset ja rakenteet analysoitiin, mutta magneettisia mittauksia ei sisällytetty tähän tutkimukseen. Sekä rauta-stilbeeni kalvojen että ε-Fe2O3–stilbeeni superhila-rakenteiden kasvatus onnistui kohtalaisen hyvin, vaikkakin valmistusprosessit vaativat vielä optimointia. Rauta-stilbeeni kalvot eivät kasvaneet ideaalisella itserajoittavalla tavalla, mikä aiheutti ongelmia myös ε-Fe2O3 – stilbeeni superhilojen kasvatuksessa. Lisäksi superhilojen fotoisomerisaatio ei onnistunut, mikä mahdollisesti johtui liian paksuista rautaoksidi kerroksista, jotka toimivat esteenä ultraviolettivalolle. Alustavat tulokset kuitenkin osoittavat, että kalvojen laatua ja siten ominaisuuksia on mahdollista parantaa huomattavasti.

Description

Supervisor

Karppinen, Maarit

Thesis advisor

Philip, Anish

Keywords

atomic and molecular layer deposition, epsilon-Fe2O3, magnetic thin film, photoisomerization, stilbene, superlattice

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208285188

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM