7 Cambio reversible de resistencia en capas finas de LSMO
7.2 Fabricación de las muestras y montaje experimental 121
7.3.1 Influencia del campo magnético sobre el HRS
7.3.1 Influencia de la temperatura sobre el HRS
7.3.1 Influencia del flujo de corriente eléctrica sobre el HRS
7.3.1 Influencia del V
RESETsobre el HRS
7.4 Discusión de los resultados
7.5 Conclusiones
118
119
7
Cambio reversible de resistencia en capas
finas de LSMO
7.1 Introducción
En el capítulo anterior se abordó el estudio de la electroresistencia (ER) en capas delgadas de LSMO en donde se evitó deliberadamente la geometría del tipo metal‐aislante‐metal (M‐I‐M) con la finalidad de minimizar los efectos de interfase. Ese estudio nos permitió comprobar que la inyección de corriente a través de microestructuras con forma de puente puede provocar cambios sustanciales en las propiedades electrónicas del material integrante de dichas microestructuras. Las características del experimento del capítulo anterior sólo conseguían inducir un cambio del estado de resistencia que era irreversible, es decir, que una vez alcanzado el estado con mayor valor de resistencia no se podía recuperar el estado de baja resistencia, a menos que se calentase la muestra [1]. Por tanto esta fenomenología sería de poco interés para el desarrollo de dispositivos.No obstante, tal como ya hemos adelantado, en los óxidos complejos también se ha observado el fenómeno de RS, es decir, el cambio reversible del estado resistivo [2, 3]. De hecho, ese material ha sido clasificado como un dispositivo aniónico, es decir, materiales en los que el fenómenos del RS tiene lugar a partir de una variedad de defectos (ya sea de tipo microestructural o de tipo químico) y que el resultado final, es una modificación de las propiedades de transporte electrónico del material, y nada tiene que ver con el cambio de alguna propiedad específica de su estructura electrónica.
Resulta relevante que para algunas contadas excepciones, dentro del cual se incluye el La⅔Sr⅓MnO3 (LSMO) [4, 5], la mayoría de óxidos en los que se ha encontrado RS presenta un
estado inicial de tipo aislante y, por tanto, requieren de un paso previo de inicialización o electroforming para observar el RS . Por tanto, desde el punto de vista de las aplicaciones, el LSMO resulta ser un material muy conveniente.
Comparando nuestros resultados con resultados previamente publicados [6, 7] existen indicios claros de que la fenomenología que se observa depende de la densidad de corriente que se está utilizando en cada caso.
La inyección de corriente en un material tiene dos efectos evidentes, por un lado la circulación de corriente produce un calentamiento por efecto Joule, por otro, puede dar lugar a la aparición de campos eléctricos. La combinación de ambos puede generar diversas y complicadas reacciones químicas en el material. Que el efecto dominante sea el efecto Joule o el campo eléctrico dependerá de diferentes causas tales como, la densidad de corriente, la geometría utilizada, la naturaleza del material etc. Al comparar nuestros resultados con resultados previos de
120
la literatura parece bastante evidente que para densidades de corriente bajas el efecto dominante es el efecto Joule [6, 7].
Para densidades de corriente intermedias, como las empleadas en el capítulo anterior, el comportamiento de las curvas I‐V se complica y no puede explicarse mediante el efecto Joule exclusivamente. Nuestros resultados del capítulo anterior nos permitieron concluir que, en estos casos, la combinación del efecto joule y la presencia de campos eléctricos podrían bien dar lugar a la pérdida de oxígeno en las zonas por las que circula la corriente, lo que motiva un fuerte incremento de la resistencia de las microestructuras. Sin embargo,
En este capítulo vamos a analizar el caso de inyección de corrientes elevadas (densidades de más de 1x105 A/cm2) en las que los efectos del campo eléctrico resulten dominantes sobre los de efecto Joule. Para realizar este estudio hemos utilizado un montaje experimental como el que se muestra en la Figura 7.1.
La inyección de corriente se realiza a través de la punta de un microscopio AFM, la cual se posiciona sobre microestructuras tipo puente y, gracias al pequeño tamaño de su ápice se podrá inyectar las altas densidades de corriente deseadas. Gracias al diseño de las microestructuras podremos realizar medidas de transporte que nos permitirán caracterizar las zonas del LSMO que han sido modificadas con la punta de AFM y, de esa manera podremos conocer los posibles cambios de sus propiedades electrónicas. A priori este montaje experimental evita el uso de la geometría (M‐I‐M) aunque, sin embargo, tal como veremos en el desarrollo del capítulo, la geometría efectiva del montaje experimental es, de hecho, del tipo M‐I‐M. Adicionalmente, a lo largo del capítulo también veremos que nuestro más adelante, nuestro sistema presenta un comportamiento tipo RS, en el que se producen cambios reversibles entre dos estados de resistencia claramente diferente.
Figura 7.1: Esquema del montaje experimental empleado para modificar localmente el estado resistivo en un micropuente de LSMO.
Para la realización del estudio se han utilizado capas delgadas de LSMO de diferentes grosores (entre 25 y 50 nm) sobre las que se han fabricado puentes micrométricos (típicamente de 0.5 m de ancho y 5 m de largo). Para cambiar localmente el estado resistivo del LSMO, es decir, realizar la transición del estado inicial de baja resistencia (LRS) al de alta resistencia (HRS), se realizaron barridos en modo de contacto en dirección transversal al micropuente con una punta conductora de AFM mientras se aplica una diferencia de potencial entre la punta y el material del micropuente (Vbias).
121
Las propiedades electrónicas de la parte del material del micropuente sobre el cual se ha actuado con la punta conductora del AFM pueden estudiarse a partir de las curvas R(T) y R(H) que se obtienen al medir el flujo de corriente a lo largo del micropuente. Estas curvas nos permitirán estudiar el comportamiento del estado de alta resistencia, aislante o metálico, las posibles variaciones de la temperatura de transición M‐I y su dependencia con el campo magnético. Todos estos datos permitirán esclarecer cual es el mecanismo del proceso de cambio reversible de resistencia en el LSMO que es el objetivo principal de este capítulo.
Consideramos que nuestros resultados son enorme relevancia y, por tal motivo, gran parte de los mismos se encontrarán dentro de un artículo científico que se ha enviado a una revista especializada [8].
7.2 Fabricación de las muestras y montaje experimental
Las capas de LSMO han sido preparadas mediante pulverización catódica sobre sustratos de SrTiO3 (STO) con orientación cristalina 001 (5 x 5 mm2 y 0.5 mm de espesor). Las capas, de
espesores típicos entre 25 y 50 nm, son de alta calidad cristalina y baja rugosidad superficial. Tal como se aprecia en la Figura 7.2, la curva de magnetización en función de la temperatura indica que estas son ferromagnéticas y que tanto su temperatura de Curie (Tc ~ 360) como su magnetización de saturación a baja temperatura (10 K) (M ~ 580 emu/cm3) son similares a los valores típicos del LSMO es estado masivo.
Para la fabricación de los micropuentes (dimensiones típicas: 0.6 ± 0.2 m de ancho, 5 ± 2 m de largo) a partir de las capas de LSMO se utilizó el proceso de nanoestructuración descrito en el capítulo 4 en el que se combina la técnica de litografía con haz de electrones y el decapado por vía húmeda. El último paso del proceso de fabricación consiste en depositar contactos macroscópicos de Pt con la finalidad de la conexión eléctrica que se establece con los terminales sea más robusta.
Figura 7.2: Curva M(T) de una capa de LSMO en la que aún no se ha realizado la nanoestructuración. Dentro, curva de R(T) de un micropuente de LSMO.
En la imagen topográfica de figura 7.3 se muestra el aspecto que tienen los micropuentes de LSMO al final del proceso de nanofabricación. El perfil topográfico extraído de ésta imagen, también presente en la figura 7.2, indica que la altura de los micropuentes coincide con el espesor de la capa de LSMO, con lo cual, se puede concluir que no hay presencia de LSMO remanente y, por tanto, los micropuentes están aislados eléctricamente entre sí. 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 M ( e mu /c m 3 ) T e m p e r a tu r e (K ) 1 0 0 0 1 04 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 R( ) T (K ) T C
122 Figura 7.3: Izquierda: imagen topográfica de AFM obtenida en el modo de no contacto al final de tres micropuentes de LSMO al final del proceso de nanoestructuración y, derecha: perfil topográfico a lo largo de la línea verde que se ubica en la imagen izquierda.
En la figura 7.1 se muestra el esquema del montaje experimental utilizado para modificar localmente el estado resistivo del micropuente de LSMO. Como puede verse en la figura, ambos extremos del micropuente se conectan a la tierra mientras que el potencial eléctrico se aplica sobre la capa a través de la punta del AFM. En este montaje todo el LSMO del micropuente hace las veces de electrodo inferior mientras que la punta de AFM de electrodo superior, emulando a una configuración estándar del tipo M‐I‐M donde la barrera aislante sería la capa superficial del LSMO cuyas propiedades eléctricas y magnéticas están notablemente degradadas con respecto a las del resto de la capa. Todos los experimentos en los que se empleó el AFM para modificar el estado resistivo del LSMO se hicieron en condiciones de baja humedad (< 5%) para evitar la presencia de un menisco de agua entre la punta de AFM y la superficie del LSMO. Figura 7.4: Curva RS obtenida sobre la zona marcada con una cruz en la figura 7.2 y, debajo de esta, la misma curva pero con la corriente en escala logarítmica. En la figura 7.4 se grafica el típico comportamiento a temperatura ambiente de una capa de LSMO cuando se aplica un ciclo de voltaje (‐6V ‐> 0 ‐> +6V ‐> 0 ‐> ‐6V) posicionando la punta conductora el AFM en un punto cualquiera de la superficie de la capa (como, por ejemplo, la zona marcada con una cruz azul en la figura 7.3). La curva I‐V obtenida muestra las características
123
típicas de un proceso de RS de tipo bipolar [9, 10]. El proceso de medida es el siguiente: se inicia la aplicación de un potencial desde cero en el estado de baja resistencia (LRS) (cuadrante superior derecho en la Fig. 7.4). Inicialmente la corriente aumenta al aumentar la tensión hasta que en un punto de voltaje positivo, al que llamaremos voltaje de activación (VSET), se produce un cambio de
tendencia y la corriente empieza a disminuir progresivamente hasta valores que pueden ser hasta dos órdenes de magnitud más pequeños alcanzándose el estado de alta resistencia (HRS). Si ahora se disminuye la tensión aplicada hacia tensión cero se observa como la corriente permanece en esto valores mínimos. Es decir, el sistema se mantiene en el estado de alta resistencia y no se produce la transición al estado de baja resistencia hasta que se alcanza un valor de potencial negativo (VRESET) en el cual se produce un fuerte incremento de la corriente que indica la transición
al LRS.
El proceso descrito anteriormente es muy robusto y la transición reversible entre los estados LRS y HRS puede repetirse un elevado número de veces sin que se observen variaciones en el comportamiento reversible del cambio de resistencia. Tal como se muestra en la Fig. 7.5 (a), las curvas I‐V no reflejan cambios sustanciales en su comportamiento durante 1000 ciclos que se realizaron sucesivamente sobre un mismo punto. La aparente variación de los valores de VSET y
VRESET que se ve en la figura no es en realidad más que ruido estadístico tal y como puede
apreciarse en la Fig. 7.5 (b) donde se han representado los valores de VSET y VRESET para cada una de
las 1000 curvas I‐V. Se observa claramente que ambos valores no varían, más allá de lo que parece ser un error estadístico, a medida que aumenta el número de ciclos.
Figura 7.5: Izquierda, 1000 curvas RS obtenidas con ciclos consecutivos sobre un mismo punto del LSMO (17 ± 2 nm de espesor). Derecha: voltaje de activación (VSET) y desactivación (VRESET) para cada una de las 1000
curvas de la izquierda.