Dr. Gabriella Maria De LucaResearcher SPIN-Institute.

Crescita e caratterizzazione strutturale di film epitassiali di sistemi a forti correlazioni elettroniche di interesse per l’elettronica avanzata

CNR-SPIN Dr. M. Salluzzo Researcher

Prof. R. Vaglio Director

OSSIDI METALLI DI TRANSIZIONEGli ossidi metalli di transizione rappresentano una classe di materiali di enorme interesse nell'ambito della moderna fisica dello stato solido. Essi sono caratterizati da particolarissime proprietà fisiche, spesso legata alla presenza di forti correlazioni elettroniche.

cariche

orbitalespin

Campo elettrico

Campo magneticoPressione

Forte interazione elettrone-elettroneElettroni molto localizzati

Cu content xT

emp

erat

ure

[K]

In base all'effetto Jahn-Teller (o distorsione Jahn-Teller) ogni molecola non lineare con uno stato elettronico fondamentale degenere subisce una distorsione geometrica che rimuove la degenerazione

Interazione magnetica degli spinFormazione di bande e conduzione metallica degli elettroni

Ossidi innovativi per L’elettronicaOssidi innovativi per L’elettronica

Filtri a Filtri a microondmicroond

ee

Memorie

FeRam

Sensori Sensori magneticimagnetici

CircuitiSchermi

LCD

Mems

attuatori

Magnetoresistenza Magnetoresistenza colossale LSMOcolossale LSMO

Superconduttori Superconduttori

YBCOYBCO

Isteresi Isteresi

PZT, BLTPZT, BLTOssidi conduttivi Ossidi conduttivi

trasparenti trasparenti

Alta costanteAlta costante

dielettrica- BSTdielettrica- BSTPiezoelettricitàPiezoelettricità

Film sottili – Film sottili –

Ossidi di MetalloOssidi di Metallo

Memorie dinamiche (Gigabit)

40mm40mm 25mm25mm

Interfaccia Ossidi Metalli di Transizioni

NOVEL FUNCTIONALITIES

NdBCO/SrTiONdBCO/SrTiO33 Superconduttore /IsolanteSuperconduttore /Isolante Transizione Superconduttore/Isolante

LaAlOLaAlO33/SrTiO/SrTiO33 Isolante/Isolante Conduttore , Superconduttore

BaCuOBaCuO22/CaCuO/CaCuO22 Isolante/Isolante Superconduttore ad Alta Tc

SrMnOSrMnO33/LaMnO/LaMnO33 Antiferromagnete/Antiferromagnete Ferromagnete

Interfaccia

Pr0.7Ca0.3MnO3/La0.7Sr0.3MnO3 SL, PLD-MODA

Layer by layer growthRHEED, LEED and in situ SPM

HEATER

Joule effect Evaporator

Magnetron sputtering gunDiode sputtering gun

Drain Source channel length L=25µmDrain Source channel width W=50 µm

Caratterizzazione Elettrica FET

Misura della carica insieme a misure di trasporto

Cosa vuol dire MultiferroicoCosa vuol dire Multiferroico

Multi-ferroic magnetoelectrics,H. Schmid, Ferroelectrics 162, 317

(1994)

Effetto MagnetoElettrico Effetto MagnetoElettrico (ME)(ME)

L'effetto ME è caratterizzato dalla comparsa di una P grazie ad un campo magnetico B e viceversa, di una M grazie ad un campo elettrico E.

La chimica che promuove una funzionalità spesso ne proibisce

un'altra.

Ferroelettricità convenzionale favorita

da “d0- ness”.

Orbitali d parzialmente occupati.

ABO

3

Ferroelettricità

Ferromagnetismo

Tesi: Daniele Preziosi

L'ossido perovskite sino ad allora conosciuto, con Bi3+ come componente, era il BiFeO3. AFM sotto 370 K e FE sotto 840 K.

Configurazione elettronica BiConfigurazione elettronica Bi3+3+=[Xe]4f=[Xe]4f14145d5d10106s6s2 2 6p6p00

a = 9.5323 A b = 5.6126 A c = 9.8535 A

= 110.667°

BiMnO3

Tar

get

Effetto della distanza target-substrato

distanza substratodistanza

Target-Substrate distance Effect

D=45mm D=40mm

D=30mm

BiMnO3+Mn3O4+ Bi2Ox(g)

BiMnO32dsinθ = nλ

In condizioni di crescita epitassiale nel piano ab si puo’ avere:

Compressive Strain

Tensile Strain

substratea

filmbulka

substratea

_

E’ stato dimostrato

che lo strain puo’

modificare la temperatura critica di fim molto sottili.

40 60

1

10

100

1000

10000

LaAlO3La

0.66Sr

0.33MnO

3

Inte

nsity

[a.

u.]

2

96 98 100 102 104 106 108 110 112 114

1

10

100

SrTiO3 La

0.66Sr

0.33MnO

3

Inte

nsity

[a.

u.]

2

Misure PFMMisure PFM

Il metodo è basato sulla rivelazione delle vibrazioni elettromeccaniche locali del campione causate da una

tensione alternata.

Luce di Sincrotrone

Weak magnetism in insulating and superconducting cuprates G. M. De Luca, G. Ghiringhelli, M. Moretti Sala, S. Di Matteo, M. W. Haverkort, H. Berger, V. Bisogni, J. C. Cezar, N. B. Brookes, and M. Salluzzo Phys. Rev. B 82, 14504 (2010) (Editor’s suggestion)

Intense paramagnon excitations in a large family of high-termperature superconductorsM. Le Tacon, G. Ghiringhelli, J. Chaloupka, M. Moretti Sala, V. Hinkov, M.W. Haverkort, M. Minola, M. Bakr, K. J. Zhou, S. Blanco-Canosa, C. Monney, Y. T. Song, G. L. Sun, C. T. Lin, G. M. De Luca, M. Salluzzo, G. Khaliullin, T.

Schmitt, L. Braicovich and B. Keimer Nature Phys 7, 725–730 (2011).

Physical phenomena at metal transition oxides heterostructures

SrTiO3

LaAlO3

photons

3d10LL

LHB

UHB

CT

EF

3d10

4s

2p states

ZR930 931 932 933 934 935 936

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.03d9

I ab [a

rb.u

nits]Energy [eV]

3d9L

Cu1+

E//ab

933 934 935

0.5

1.0 3d9L

Zhang Rice

X-ray Absorption spectroscopy at Cu L2,3 edge

In cuprates Cu-O hybridization creates ZR single where Cu is in the virtual Cu3+ state. A ligand hole produces another feature due to 2p63d9→ c2p53d10L

930 940 950

0

30

60

90

Inte

nsit

y [a

rb. u

nit.]

L3

L2

Energy [eV]

M. Salluzzo,G. Ghiringhelli, N. B. Brookes, G. M. De Luca, F. Fracassi, and R. Vaglio Phys. Rev. B 75, 054519 (2007)M. Salluzzo, G. Ghiringhelli, J. C. Cezar, N. B. Brookes, G. M. DeLuca, F. Fracassi, and R. Vaglio Phys Rev Lett. 100, 056810 (2008)

X-ray Magnetic Circular Dichroism

z

zd

LL

LLLspin

d

LL

LLorb

S

Tn

d

ddm

nd

dm

2

7110

46

103

4

3

3

23

233

23

23

Both orbital and spin magnetic components along the field can be obtained (with chemical and orbital

sensitivity) from the circular dichroic XAS.

a

b c

x-ray

+

-

SUM RULES

B TEY and FY configuration

XMCD at the Cu L2,3 edge

XMCD on cuprate thin films

Sum rules

0 40 80 120 160 200 240 280

0.00

0.01

0.02

msp

in,z[

B/a

tom

]

LCO

LSCO

Temperature [K]

YBCO

Studio interfacce superconduttive

Caratterizzazione strutturale e di trasporto di film epitassiali BiMnO3 e SrMnO3

salluzzo@na.infn.itgabriella.deluca@spin.cn

r.it

Implementazione della tecnica PFM per l’analisi di materiali multiferroici