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Stoichiometric control and magnetoelectric coupling in artificial multiferroic heterostructures = Kontrolle der Stöchiometrie und magnetoelektrische Kopplung in künstlichen multiferroischen Heterostrukturen
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-06692
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/822359/files/822359.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
artificial multiferroics (frei) ; heterostructures (frei) ; magnetoelectric coupling (frei) ; molecular beam epitaxy (frei) ; stoichiometry (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Der Bedarf für schnellere und kleinere Datenträger, neue Sensortechnik und multifunktionelle Komponenten hat die Forschung an Übergangsmetalloxiden stark vorangetrieben. Da die Elektronen in diesen Materialien oft stark korelliert sind, zeigen Übergangsmetalloxide eine Vielzahl von neuartigen Effekten. Speziell der Einsatz von künstlichen multiferroischen Heterostrukturen hat großes Interesse geweckt. Die physikalischen Eigenschaften der einzelnen Schichten können auf den individuellen Einsatz zugeschnitten werden, und durch geeignete Kombination der Materialien werden neue Funktionalitäten realisiert. Gegenstand dieser Dissertation ist die Beeinflussung der Magnetisierung von dünnen Übergangsmetalloxidschichten mittels des ferroelektrischen Substrates [Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$]$_{0.7}$–[PbTiO$_3$]$_{0.3}$ (PMN-PT). Der erste Teil dieser Dissertation berichtet über das Wachstum und die Untersuchung von SrCoO$_{3-\delta}$. Durch Manipulation des Sauerstoffgehalts kann das antiferromagnetische und isolierende SrCoO$_{2.5}$ in das ferromagnetische und leitende SrCoO$_{3}$ umgewandelt werden. Für das Wachstum epitaktischer und stöchiometrischer Sr$_1$Co$_1$O$_{2.5}$ Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) müssen die Wachstumparameter präzise gewählt werden. Um die Co-zu-Sr Stöchiometrie \textit{in-situ} zu bestimmen und zu optimieren kann ,,Reflection High Energy Electron Diffraction'' (RHEED) eingesetzt werden. Das RHEED Beugungsmuster ermöglicht die Unterscheidung zwischen Co Defizit oder Überschuss und stöchiometrischer Sr$_1$Co$_1$O$_{2.5}$ Schicht. Durch Heizen in Sauerstofffluss können die hochqualitativen SrCoO$_{2.5}$ Schichten zu SrCoO$_3$ umgewandelt werden. Die SrCoO$_{3}$ Schichten sind stabil in Vakuum. SrCoO$_{3-\delta}$ Proben mit $\delta$<0.25 bilden drei verschiedene ferromagnetische Phasen und weisen einen Exchange bias Effekt auf.Messungen einer SrCoO$_{2.75}$ Schicht mit polarisierter Neutronenreflektometrie zeigen ein homogene Verteilung der magnetischen Phasen. SrCoO$_{2.5}$ Schichten können durch den Unterschied der Gitterkonstanten nicht direkt auf PMN-PT gewachsen werden. Durch den Einsatz einer La$_{0.67}$Sr$_{0.33}$MnO$_3$ (LSMO) Zwischenschicht kann der Unterschied der Gitterkonstanten verringert werden, was das Wachstum einer kristallinen SrCoO$_{2.5}$/LSMO/PMN-PT Heterostruktur ermöglicht. Der zweite Teil der Dissertation behandelt die magnetoelektrische Kopplung in Fe$_3$O$_4$/PMN-PT(001) und Fe$_3$O$_4$/PMN-PT(011) Heterostrukturen, welche mit gepulster Laserabscheidung gewachsen sind. Die Proben zeigen eine starke Kopplung zwischen der Magnetisierung der ferrimagnetischen Schicht und der Verspannung und Polarisierung des Substrates wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Durch ein qualitatives Model können die Anteile der einzelnen Beiträge zur magnetoelektrischen Kopplung abgeschätzt werden. Sowohl die Schnittrichtung des Substrates als auch die Orientierung der Probe im Magnetfeld hat einen starken Einfluss auf das magnetoelektrische Verhalten der Schicht.The demand for smaller and faster information storage media, new types of sensors and multifunctional devices has lead to a rush in research on transition metal oxides (TMO's). Strong electronic correlations in TMO's lead to a wealth of new and interesting effects. Particularly the use of artificial multiferroic heterostructures using advanced thin film growth techniques, has attracted a lot of interest, as they enable the tailoring of the physical properties of individual materials and hold the promise of new combined functionality. The subject of this thesis is control of the magnetisation in thin TMO films using the ferroelectric substrate [Pb(Mg$_{1/3}$Nb$_{2/3}$)O$_3$]$_{0.7}$–[PbTiO$_3$]$_{0.3}$ (PMN-PT). The first part of this thesis is about the fabrication and investigation of SrCoO$_{3-\delta}$, which has different magnetic and conductive properties depending on the oxygen content. Importantly, the antiferromagnetic, insulating SrCoO$_{2.5}$ can be transformed reversibly in the ferromagnetic, metallic SrCoO$_{3}$. To grow epitaxial and stoichiometric Sr$_1$Co$_1$O$_{2.5}$ films by molecular beam epitaxy (MBE), the deposition parameter have to be precisely controlled. To determine the Co-to-Sr ratio \textit{in-situ} and optimise it, Reflection High Energy Electron Diffraction (RHEED) can be used. The RHEED scattering pattern changes depending on the Co/Sr ratio and can be used to determine Co excess or deficiency and to grow stoichiometric Sr$_1$Co$_1$O$_{2.5}$ samples. High quality SrCoO$_{2.5}$ can be transformed to SrCoO$_{3}$ by heating in oxygen flow and the resulting films remain stable in vacuum. SrCoO$_{3-\delta}$ films (with $\delta$<0.25) form three distinct magnetic phases and show an exchange bias effect. The magnetic phases are distributed uniformly throughout the film, as can be determined by Polarised Neutron Reflectometry (PNR). Due to a mismatch of lattice constants, SrCoO$_{2.5}$ films can't be grown directly on PMN-PT. However, using an La$_{0.67}$Sr$_{0.33}$MnO$_3$ buffer layer, crystalline SrCoO$_{2.5}$/La$_{0.67}$Sr$_{0.33}$MnO$_3$/PMN-PT heterostructures can be grown. The second part of the dissertation is about the magnetoelectric coupling in Fe$_3$O$_4$/PMN-PT(001) and Fe$_3$O$_4$/PMN-PT(011) heterostructures grown by pulsed laser deposition. The strain and polarisation of the substrate with applied electric field mediate the coupling to the magnetisation in the ferrimagnetic layer. Using a qualitative model, the strength of the different contributions can be estimated. The substrate cut and orientation of the sample in the magnetic field has a strong influence on the magnetoelectric behaviour of the layer.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020997774
Interne Identnummern
RWTH-2021-06692
Datensatz-ID: 822359
Beteiligte Länder
Germany
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