Magnetic, electric and structural properties of atomic layer deposited zirconia-based nanolaminates and mixtures

Abstract

Doktoritöös kasutati aatomkihtsadestamise meetodit, eesmärgiga valmistada multiferroidne nanoskaalas kile, ehk paarikümne nanomeetri paksune materjalikiht. Multiferroid on selline materjal, mis on üheaegselt nii ferromagnetiline kui ka ferroelektriline, st polariseerub nii välises magnet- kui ka elektriväljas ning on võimeline mõlemat polarisatsiooni säilitama ka välise välja eemaldamisel. Sellist materjali oleks võimalik kasutada uue põlvkonna nanoelektroonikas, näiteks mäluseadmete valmistamiseks. Aatomkihtsadestamise meetod valiti, kuna see on ennast tõestanud, kui üks sobivamaid viise üliõhukeste tahkiskihtide valmistamiseks ühtlase paksuse ja koostisega üle suure pinna. Kirjandusallikate põhjal oli teada, et materjali valmistamine, mis oleks üheaegselt nii ferromagnetiline kui ka ferroelektriline, ei ole lihtne ülesanne. Nimetatud nähtusi on tuvastatud ühe materjali samas faasis ainult ülimadalatel temperatuuridel ja/või suurtes materjalitükkides. Autorile teadaolevalt ei ole multiferroidi suudetud valmistada õhukese materjalikihina ning toimivana ka toatemperatuuril või kõrgemal. Mõlemad nimetatud tingimused on kindlasti tarvilikud, et rääkida võimalikest praktilistest rakendustest. Erinevates ZrO2 sisaldavates kiledes demonstreeriti osa kilede puhul ferromagnetilist hüstereesi ning osa käitus elektriväljas ferroelektrikule sarnaselt. Ühel juhul tuvastati ferromagnetiline ja ferroelektriline polariseeritavus samas kilenäidises. Järeldati, et kuigi traditsioonilisest ferromagnetismist rääkimiseks ei ole nanoskaalas metalloksiidkilede puhul põhjust, siis teatud juhtudel võivad siiski defektid, nagu näiteks hapnikuvakantsid, materjali ferromagnetilist käitumist põhjustada. Kuigi defektid raskendavad ferroelektrilise polarisatsiooni mõõtmist, võib leida nö. tasakaalupunkti piisava hulga defektide vahel, et saavutada ferromagnetiline polarisatsioon ja piisavalt vähese hulga defektide vahel, et ferroelektriline efekt ei jää veel täielikult piirpindadel tekkiva lekkevoolust tingitud polarisatsiooni varju. Autori arvates tuvastati selline olukord, kui defektirohke ferromagnetiline ZrO2 segati vähem defektse materjaliga HfO2, mille puhul võis kirjandusele toetudes oodata ferroelektrilisust.

The main goal was to fabricate a multiferroic nanoscale film using atomic layer deposition. Multiferroic is a material that is both ferromagnetic and ferroelectric, that is, polarizes in both magnetic and electric fields, and retains that polarization after removing the external field. Such a material could be used in novel nanoelectronics applications, such as memory devices or sensors. Atomic layer deposition was chosen to fabricate the films, because this is the method actually used in modern nanoelectronics to deposit ultrathin films, and the only method which can provide conformal films over a large substrate area and at the same time provide thickness control at the nanometer level. It was known beforehand, from literature, that a material possessing ferromagnetic and ferroelectric behavior in the same sample in the same phase will be a difficult task. This phenomenon has been observed in bulk materials and/or very low temperatures, but not in thin films and at room temperature, which are both necessary, if one wishes to consider an actual nanoelectronics application. In various ZrO2-based thin films, it was shown that some films showed ferromagnetic hysteresis and some exhibited behavior resembling ferroelectric response. In one case, ferromagnetic and ferroelectric behavior were observed in the same material sample. It was concluded that although one cannot speak of ferromagnetism in the traditional sense, when thin metal oxide films are studied, but in certain cases, ferromagnetism may still arise from the defects of a material, such as oxygen vacancies. Although these defects make the detection of ferroelectricity harder, a reasonable trade-off can be found between enough defects to induce ferromagnetism and not so much to overwhelm the signs of ferroelectricity completely. The author believes such as case was found, when a defective material, which was found ferromagnetic in all cases, namely ZrO2, was mixed with a less defective material, HfO2, known already in literature to be ferroelectric in some cases.