Atomic layer deposition and microscopic analysis of magnetically and electrically polarizable thin solid films

Abstract

Tehnoloogia kiire areng on olnud võimalik tänu uute materjalide loomisele ja tehnoloogiliste meetodite rakendamisele. Selleks, et see areng elektroonika ja infotehnoloogia valdkonnas ka edaspidi jätkuda saaks, püsib pidevalt vajadus luua uudseid spetsiifiliste omadustega materjale, mida loodavates seadmetes kasutada saaks. Muuhulgas soovitakse saada selliseid õhukesi materjale, mis oleksid oma olemuselt multiferroidsete omadustega. Sellised materjalid on nii ferroelektriliste kui ka ferromagnetiliste omadustega ehk need materjalid polariseeruvad nii välise elektri- kui ka magnetvälja toimel ning on võimelised polarisatsiooni säilitama ka siis kui neile pidevalt välist elektri- või magnetvälja peale ei rakendata. Selliseid materjale soovitakse kasutada muuhulgas uue põlvkonna mäluseadmetes, kuna andmete salvestamiseks ja lugemiseks saaks sellisel juhul kasutada nii elektri kui ka magnetvälja. Sellest tulenevalt sadestati ja karakteriseeriti doktoritöös selliseid uudseid materjalikombinatsioone, mis võiksid olla toatemperatuuril magnetiliselt ja elektriliselt polariseeruvad. Selleks loodi tehislikult aatomkihtsadestamise nimelist meetodit kasutades mitmekihilised õhukesed nanomaterjalid (nanolaminaadid) ja segukihid (ka segukiled) kuhu liideti kokku potentsiaalselt ferromagnetiliste ja ferroelektriliste omadustega materjalid (peamiselt metalloksiidid). Töös kasutati materjalide valmistamiseks aatomkihtsadestamise meetodit, kuna see meetod on laialdaselt kasutuses muuhulgas mikroelektroonika valdkonnas ning võimaldab sadestada kõrge kvaliteedi ja kontrollitava paksusega õhukesi materjale, mida nimetatakse ka tahkiskihtideks. Doktoritööst selgus, et sadestatud materjalide omadused sõltusid lisaks valitud materjalikombinatsioonidele ootuspäraselt nii faasikoostisest kui ka sellest, kas tegu oli kihilise objektiga või segukilega. Oma positiivsete omaduste poolest paistsid silma mitmete metalloksiidide metastabiilsed faasid, mis mõjutasid sadestatud kilede magnetilisi ja elektrilisi omadusi, ning mille domineerimine faasikoostises oli kohati võimalik tänu sellele, et tegu oli kihiliste objektidega. Enamus sadestatud materjalidest näitasid ferromagnetilistele materjalidele omast käitumist polariseerudes välise magnetvälja mõjul ning osad materjalid käitusid ferroelektrilisele materjalile omaselt polariseerudes välise elektrivälja mõjul.

The constant development of technology has been possible thanks to the development of new materials and technological methods. However, there remains a continual demand for new novel materials or material combinations with new or improved functionalities for electronics and information technology development to continue. One such attractive type of material is thin solid film material with multiferroic properties. Such materials have both ferroelectric and ferromagnetic properties, i.e. they are polarized by external electric and magnetic fields and can maintain polarization even if they are not continuously subjected to an external electric or magnetic field. Multiferroic materials are also attractive because they could be used in new generation memory devices since electric and magnetic fields could be used to store and read data. Therefore, novel material combinations that were expected to show magnetic and electric polarization under the influence of external field at room temperature were created and characterized in the Thesis. For this, potentially ferromagnetic and ferroelectric materials (mainly metal oxides) were combined into multilayer structures and mixed films using the atomic layer deposition method. The atomic layer deposition method was used to fabricate thin solid films because it is already widely used in the field of microelectronics and allows to deposit films with high quality and controlled thickness. The results showed that, in addition to the material combinations, the properties of the materials expectedly depended on the phase composition and deposition recipe. The metastable phases of several metal oxides were successfully stabilized, which affected the magnetic and electrical properties of the deposited films. Most of the created materials showed ferromagnetic-like behaviour by demonstrating non-linear magnetization and hysteresis under the influence of an external magnetic field. Few materials behaved similarly to the ferroelectric material under the influence of an external electric field.