Studio mediante magnetometro moke di film sottili di manganite per applicazioni in spintronica.

In questo lavoro di tesi è stata studiata l'anisotropia magnetica di film sottili epitassiali di La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO), cresciuti con la tecnica Channel Spark Ablation su substrati monocristallini di SrTiO3 (001). L'interesse nei confronti di questi materiali nasce dal fatto che, grazie alla loro proprietà di half-metallicity, sono usati come iniettori di spin in dispositivi per applicazioni in spintronica, l'elettronica che considera elemento attivo per l'informazione non solo la carica elettrica ma anche lo spin dei portatori. Un tipico esempio di dispositivo spintronico è la valvola di spin (un dispositivo costituito da due film ferromagnetici metallici separati da uno strato conduttore o isolante) il cui stato resistivo dipende dall'orientazione relativa dei vettori magnetizzazione (parallela o antiparallela) degli strati ferromagnetici. E’ quindi di fondamentale importanza conoscere i meccanismi di magnetizzazione dei film che fungono da iniettori di spin. Questa indagine è stata effettuata misurando cicli di isteresi magnetica grazie ad un magnetometro MOKE (magneto-optical Kerr effect). Le misure di campo coercitivo e della magnetizzazione di rimanenza al variare dell'orientazione del campo rispetto al campione, permettono di identificare l'anisotropia, cioè gli assi di facile e difficile magnetizzazione. I risultati delle misure indicano una diversa anisotropia in funzione dello spessore del film: anisotropia biassiale (cioè con due assi facili di magnetizzazione) per film spessi 40 nm e uniassiale (un asse facile) per film spessi 20 nm. L'anisotropia biassiale viene associata allo strain che il substrato cristallino induce nel piano del film, mentre l'origine dell'uniassialità trova la giustificazione più probabile nella morfologia del substrato, in particolare nella presenza di terrazzamenti che potrebbero indurre una step-induced anisotropy. Il contributo di questi fattori di anisotropia alla magnetizzazione è stato studiato anche in temperatura.

Near compensated half-metal in Sr2NiOsO6

The electronic and magnetic properties of tetragonal double perovskite Sr2NiOsO6 were studied by use of the density functional theory and including the spin-orbit coupling. Compensated half-metal is found if the spin-orbit coupling is not considered. Spin-orbit coupling induces orbital moments on both Ni and Os, making Sr2NiOsO6 a near compensated half-metal. Ferromagnetic phase is slightly favored over antiferromagnetic phase (by 4 meV). The small energy difference also suggests that both phases are competitive for the ground state. At ferromagnetic phase, the calculated net magnetic moment is 3.53 mu(B), in good agreement with experimental value of 3.44 mu(B). At antiferromagnetic phase, the net magnetic moment is 0.69 mu(B), in which the contribution from the net spin moment is 0.09 mu(B).

Phase diagram of the half-filled ionic Hubbard model

We study the phase diagram of the ionic Hubbard model (IHM) at half filling on a Bethe lattice of infinite connectivity using dynamical mean-field theory (DMFT), with two impurity solvers, namely, iterated perturbation theory (IPT) and continuous time quantum Monte Carlo (CTQMC). The physics of the IHM is governed by the competition between the staggered ionic potential Delta and the on-site Hubbard U. We find that for a finite Delta and at zero temperature, long-range antiferromagnetic (AFM) order sets in beyond a threshold U = U-AF via a first-order phase transition. For U smaller than U-AF the system is a correlated band insulator. Both methods show a clear evidence for a quantum transition to a half-metal (HM) phase just after the AFM order is turned on, followed by the formation of an AFM insulator on further increasing U. We show that the results obtained within both methods have good qualitative and quantitative consistency in the intermediate-to-strong-coupling regime at zero temperature as well as at finite temperature. On increasing the temperature, the AFM order is lost via a first-order phase transition at a transition temperature T-AF(U,Delta) or, equivalently, on decreasing U below U-AF(T,Delta)], within both methods, for weak to intermediate values of U/t. In the strongly correlated regime, where the effective low-energy Hamiltonian is the Heisenberg model, IPT is unable to capture the thermal (Neel) transition from the AFM phase to the paramagnetic phase, but the CTQMC does. At a finite temperature T, DMFT + CTQMC shows a second phase transition (not seen within DMFT + IPT) on increasing U beyond U-AF. At U-N > U-AF, when the Neel temperature T-N for the effective Heisenberg model becomes lower than T, the AFM order is lost via a second-order transition. For U >> Delta, T-N similar to t(2)/U(1 - x(2)), where x = 2 Delta/U and thus T-N increases with increase in Delta/U. In the three-dimensional parameter space of (U/t, T/t, and Delta/t), as T increases, the surface of first-order transition at U-AF(T,Delta) and that of the second-order transition at U-N(T,Delta) approach each other, shrinking the range over which the AFM order is stable. There is a line of tricritical points that separates the surfaces of first- and second-order phase transitions.

First-principles prediction of the magnetism of 3d transition-metal-doped Rocksalt MgO

Using first-principles band structure methods, we have systematically studied the electronic structures, magnetic stabilities, and half-metal properties of 3d transition-metal (TM) doped Rocksalt MgO compounds TMMg3O4 (TM = V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni). The calculations reveal that only CrMg3O4 has a ferromagnetic stability among the six compounds, which is explained by double-exchange mechanism. The magnetic stability is affected by the doping concentration of TM if the top valance band is composed of partially occupied t(2g) states. In addition, CrMg3O4 is a half-metallic ferromagnet. The origins of half-metallic and ferromagnetic properties are explored. The Curie temperature (T-c) of CrMg3O4 is 182 K. And it is hard for CrMg3O4 to deform due to the large bulk modulus and shear modulus, so it is a promising spintronic material. Our calculations provide the first available information on the magnetic properties of 3d TM-doped MgO.

Strain engineering of selective chemical adsorption on monolayer MoS2

Nanomaterials are prone to influence by chemical adsorption because of their large surface to volume ratios. This enables sensitive detection of adsorbed chemical species which, in turn, can tune the property of the host material. Recent studies discovered that single and multi-layer molybdenum disulfide (MoS2) films are ultra-sensitive to several important environmental molecules. Here we report new findings from ab inito calculations that reveal substantially enhanced adsorption of NO and NH3 on strained monolayer MoS2 with significant impact on the properties of the adsorbates and the MoS2 layer. The magnetic moment of adsorbed NO can be tuned between 0 and 1 μB; strain also induces an electronic phase transition between half-metal and metal. Adsorption of NH3 weakens the MoS2 layer considerably, which explains the large discrepancy between the experimentally measured strength and breaking strain of MoS2 films and previous theoretical predictions. On the other hand, adsorption of NO2, CO, and CO2 is insensitive to the strain condition in the MoS2 layer. This contrasting behavior allows sensitive strain engineering of selective chemical adsorption on MoS2 with effective tuning of mechanical, electronic, and magnetic properties. These results suggest new design strategies for constructing MoS2-based ultrahigh-sensitivity nanoscale sensors and electromechanical devices.

Fases de stripes nos cupratos : um estudo do modelo t-J anisotrópico

Neste trabalho realizamos um estudo de um buraco em um antiferromagneto, como parte de uma revisão de diferentes técnicas de abordagem das fases de “stripes” nos cupratos supercondutores. Estudamos a transição do formalismo de “strings” para um buraco no modelo t - Jz bidimensional, onde existe uma solução analítica, para a solução de pólaron de spin no modelo t - J isotrópico através da aproximação de Born auto-consistente. A forma funcional dos picos de quase-partícula, do peso espectral e do “gap” espectral foi investigada numericamente em detalhe, em função da anisotropia magnética. O movimento de um pólaron de spin na presença de uma parede de domínio antiferromagnética (ADW) em antifase, como uma realização da configuração de “stripes” nos planos CuO dos cupratos de baixa dopagem, também foi analisada.

Dinâmica de paredes de domínios magnéticos : um estudo através da impedanciometria

Neste trabalho é apresentado um estudo sobre a dinâmica de paredes de domínios através de medidas de impedanciometria. É proposto um método que permite a obtenção dos seguintes parâmetros das amostras estudadas: mobilidade e velocidade crítica das paredes, largura dos domínios e de suas paredes, densidade de energia de parede e constante efetiva de troca. Todas essas informações são obtidas a partir do espectro em freqüência da permeabilidade e de relações apropriadas entre a permeabilidade e a impedância complexa. O elo de ligação entre essas quantidades é feita através do efeito da profundidade de penetração, cuja definição inclui a freqüência, a resistividade e a permeabilidade do material. O método foi aplicado ao estudo de dois tipos diferentes de materiais, (i) (110)[001]FeSi3%, policristalino e altamente texturizado com tamanho de grãos bastante grande (~ 5 mm) e (ii) amostras nanocristalinas obtidas através do recozimento de fitas amorfas de Fe73.5Cu1Nb3Si16.5B6. Enquanto o primeiro sistema foi utilizado para se fazer uma comparação entre os parâmetros aqui obtidos com aqueles de outros autores e técnicas, o segundo foi estudado em termos das modificações da anisotropia magnética associadas ao alívio das tensões internas com a temperatura de recozimento.

Estudo de propriedades magnéticas de filmes finos de cobalto sobre Si(111)

O crescimento de lmes nos ferromagnéticos sobre uma superfícies vicinal induz uma anisotropia uniaxial que atua juntamente com a anisotropia magnetocrislanina. Neste estudo, lmes nos de Co foram depositados sobre Si(111) para investigar o papel dessa anisotropia nas propriedades magnéticas do lme. Os substratos foram preparados quimicamente via uma solução de NH4F e caracterizados via microscopia de força atômica. Os lmes, depositados via desbaste iônico, foram caracterizados estruturalmente via difratometria de raio-x e microscopia de tunelamento. As propriedades magnéticas foram determinadas via magnetometria a efeito Kerr magnetoóptico, onde observou-se a presen ça de uma anisotropia uniaxial dominante. Um modelo fenomelógico de reversão da magnetização via rotação coerente foi aplicado para ajustar as curvas de histerese, e as constantes de anisotropia uniaxial para cada espessura foram determinadas.

Digital magnetic heterostructures based on GaN using GGA-1/2 approach

We present ab-initio calculations of seven digital magnetic heterostructures, GaN delta-doped with V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu, forming two-dimensional systems. Only GaN delta-doped with V or Cr present a ferromagnetic ground state with high Curie temperatures. For both, to better describe the electronic properties, we used the GGA-1/2 approach. The ground state of GaN/Cr resulted in a two dimensional half-metal, with 100% spin polarization. For GaN/V, we obtained an insulating state: integer magnetic moment of 2.0 mu(B), a minority spin gap of 3.0 eV close to the gap of GaN, but a majority spin gap of 0.34 eV. (C) 2012 American Institute of Physics. [http://dx.doi.org/10.1063/1.4751285]

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Tunnelkontakte mit Heusler-Elektrode: Spinpolarisation von Co 2Cr 0,6Fe 0,4Al und Einfluss der Barriere

Ziel dieser Arbeit ist die Bestimmung der Spinpolarisation von der Heusler-Verbindung Co2Cr0,6Fe0,4Al. Dieses Ziel wurde durch die sorgfältige Präparation von Co2Cr0,6Fe0,4Al basierten Tunnelkontakten realisiert. Tunnelwiderstandsmessungen an Co2Cr0,6Fe0,4Al-basiertenrnTunnelkontakten ergaben einen Tunnelmagnetowiderstand von 101% bei 4 K. DieserrnTunnelmagnetowiderstand legt eine untere Grenze von 67% für die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al fest.rnrnCo2Cr0,6Fe0,4Al ist eine Heusler-Verbindung, der die Eigenschaften eines halbmetallischen Ferromagneten zugeschrieben werden. Ein halbmetallischer Ferromagnet hat an der Fermikante nur Elektronenspinzustände mit einer Polarisation. Als Folge davon können bei einem spinerhaltenden Tunnelprozess nur Elektronen einer Spinrichtung in den halbmetallischen Ferromagneten tunneln. Mit einem magnetischen Feld und einer durch einen Antiferromagneten fixierten Gegenelektrode, können an einem Tunnelkontakt mit einem spinpolarisierten Ferromagneten deshalb zwei Zustände, eine hohe und eine niedrige Tunnelleitfähigkeit, erzeugt werden. Daher finden spinpolarisierte Tunnelkontakte in Form von MRAM in der Datenspeicherung Verwendung. Bislang wurde jedoch keine Verbindung gefunden, der eine Spinpolarisation von 100% experimentell eindeutig nachgewiesen werden konnte. Für Co2Cr0,6Fe0,4Al lagen die höchsten gemessenen Spinpolarisationen um 50%.rnrnTunnelspektroskopie ist eine zuverlässige und anwendungsnahe Methode zur Untersuchung der Spinpolarisation. Inelastische Tunnelprozesse und eine reduzierte Ordnung an Grenzflächen bewirken einen reduzierten Tunnelmagnetowiderstand. Eine symmetriebrechende Barriere, wie amorphes AlOx, ist Voraussetzung für die Anwendung des Jullière-Modells zur Bestimmung der Spinpolarisation. Das Jullière-Modell verknüpft die Spin-aufgespaltenenrnZustandsdichten der Elektroden mit dem Tunnelmagnetowiderstand. Ohne einernsymmetriebrechende Barriere, zum Beispiel mit MgO als Isolatorschicht, können höhere Tunnelmagnetowiderstände erzwungen werden. Ein eindeutiger Rückschluss auf die Spinpolarisation ist dann jedoch nicht mehr möglich. Mit Aluminiumoxid-basierten Barrieren liefert die Anwendung des einfachen Jullière-Modells eine Untergrenze der Spinpolarisation.rnrnUm die Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al durch Tunnelspektroskopie zu bestimmen, musste die Präparation der Tunnelkontakte verbessert werden. Dies wurde ermöglicht durch den Anbau einer neuen Sputterkammer mit besseren UHV-Bedingungen an ein bestehendes Präparationscluster. Co2Cr0,6Fe0,4Al wird mit Hilfe von Radiofrequenz-Kathodenzerstäuben deponiert. Die resultierenden Schichten verfügen nach ihrer Deposition über einen höheren Ordnungsgrad und über eine geordnete Oberfläche. Durch eine Magnesium-Pufferschicht war es möglich, auf diese Oberfläche eine homogene amorphe AlOx-Barriere zu deponieren. Als Gegenelektrode wurde CoFe als Ferromagnet mit MnFe als Antiferromagnet gewählt. Diese Gegenelektrode ermöglicht Tunnelmessungen bis hin zu Raumtemperatur.rnrnMit den in dieser Arbeit vorgestellten optimierten Analyse- und Präparationsmethoden ist es möglich, die Untergrenze der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al auf 67% anzuheben. Dies ist der bisher höchste veröffentlichte Wert der Spinpolarisation von Co2Cr0,6Fe0,4Al.rn

Spectroscopic investigations of functional bulk and thin film Heusler alloys

Functional and smart materials have gained large scientific and practical interest in current research and development. The Heusler alloys form an important class of functional materials used in spintronics, thermoelectrics, and for shape memory alloy applications. An important aspect of functional materials is the adaptability of their physical properties. In this work functional polycrystalline bulk and epitaxial thin film Heusler alloys are characterized by means of spectroscopic investigation methods, X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and energy dispersive X-ray analysis (EDX). With EDX the homogeneity of the samples is studied extensively. For some cases of quaternary compounds, for example Co2(MnxTi1−x)Sn and Co2(Mn0.5Dy0.5)Sn, an interesting phase separation in two nearly pure ternary Heusler phases occurs. For these samples the phase separation leads to an improvement of thermoelectric properties. XMCD as the main investigation method was used to study Co2TiZ (Z = Si, Sn, and Sb), Co2(MnxTi1−x)Si, Co2(MnxTi1−x)Ge, Co2Mn(Ga1−xGex), Co2FeAl, Mn2VAl, and Ni2MnGa Heusler compounds. The element-specific magnetic moments are calculated. Also, the spin-resolved unoccupied density of states is determined, for example giving hints for half-metallic ferromagnetism for some Co-based compounds. The systematic change of the magnetic moments and the shift of the Fermi energy is a proof that Heusler alloys are suitable for a controlled tailoring of physical properties. The comparison of the experimental results with theoretical predictions improves the understanding of complex materials needed to optimize functional Heusler alloys.

Produzione e funzionamento di un dispositivo spin valve

Il fenomeno della magnetoresistenza gigante (GMR) consiste nella marcata variazione della resistenza elettrica di una struttura in forma di film sottile, composta da un’alternanza di strati metallici ferromagnetici (FM) e non magnetici (NM), per effetto di un campo magnetico esterno. Esso è alla base di un gran numero di sensori e dispositivi magnetoelettronici (come ad esempio magnetiche ad accesso casuale, MRAM, ad alta densità) ed ulteriori innovazioni tecnologiche sono in via di elaborazione. Particolarmente rilevanti sono diventate le Spin Valve, dispositivi composti da due strati FM separati da uno spaziatore NM, metallico. Uno dei due film FM (free layer) è magneticamente più soffice rispetto all’altro (reference layer), la cui magnetizzazione è fissata mediante accoppiamento di scambio all’interfaccia con uno strato antiferromagnetico (AFM) adiacente. Tale accoppiamento causa l’insorgenza di una anisotropia magnetica unidirezionale (anisotropia di scambio) per lo strato FM, che si manifesta in uno shift orizzontale del ciclo di isteresi ad esso associato (effetto di exchange bias), solitamente accompagnato anche da un aumento del campo coercitivo. Questo lavoro di tesi riporta la deposizione e la caratterizzazione magnetica e magnetoresistiva di due valvole spin, una a struttura top (SVT) composta da strati di Si/Cu[5 nm]/Py[5 nm]/Cu[5 nm]/Py[5 nm]/IrMn[10 nm], ed una a struttura bottom (SVB), di composizione Si/Cu[5 nm]/IrMn[10 nm]/Py[5 nm]/Cu[5 nm]/Py[5 nm], allo scopo di verificare il comportamento magnetoresistivo gigante del dispositivo per questa particolare scelta dei materiali. I campioni sono stati depositati mediante DC Magnetron sputtering, e caratterizzati magneticamente mediante magnetometro SQUID; la caratterizzazione resistiva è stata eseguita tramite metodo di van der Pawn. Vengono infine presentati i risultati sperimentali, in cui si osserva una variazione di magnetoresistenza nei campioni nell’ordine del punto percentuale.

Spontaneous persistent currents in a quantum spin Hall insulator

We present a mechanism for persistent charge current. Quantum spin Hall insulators hold dissipationless spin currents in their edges so that, for a given spin orientation, a net charge current flows which is exactly compensated by the counterflow of the opposite spin. Here we show that ferromagnetic order in the edge upgrades the spin currents into persistent charge currents without applied fields. For that matter, we study the Hubbard model including Haldane-Kane-Mele spin-orbit coupling in a zigzag ribbon and consider the case of graphene. We find three electronic phases with magnetic edges that carry currents reaching 0.4 nA, comparable to persistent currents in metallic rings, for the small spin-orbit coupling in graphene. One of the phases is a valley half metal.

First-principles prediction of metal-free magnetism and intrinsic half-metallicity in graphitic carbon nitride

Transition metal-free magnetism and half-metallicity recently has been the subject of intense research activity due to its potential in spintronics application. Here we, for the first time, demonstrate via density functional theory that the most recently experimentally realized graphitic carbon nitride (g-C4N3) displays a ferromagnetic ground state. Furthermore, this novel material is predicted to possess an intrinsic half-metallicity never reported to date. Our results highlight a new promising material toward realistic metal-free spintronics application.