Propriedades estruturais e magnéticas de filmes finos de CrO2 crescidos em TiO2-Rutilo

Tese de mestrado em Engenharia Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2011A microelectrónica deve o seu desenvolvimento aos dispositivos semicondutores que funcionam integrados em circuitos de dimensões cada vez menores, sendo actualmente possível um circuito integrado simples conter um número elevado de transístores, na ordem dos milhões. Nos últimos 40 anos, o número de transístores por unidade de área que podem ser incorporados num microprocessador tem duplicado de 18 em 18 meses; este comportamento, previsto por Gordon Moore, tem-se verificado até aos dias de hoje sendo conhecido por lei de Moore. Consegue-se hoje obter materiais com dimensões na ordem dos nanómetros – estamos portanto a atingir o limite físico onde os efeitos quânticos começam a afectar o funcionamento dos dispositivos. Por outro lado, devido ao elevado número de transístores numa área reduzida, ou seja, devido à diminuição de dimensão e espaçamento entre os transístores num circuito, o calor gerado aumenta, começando-se a sentir dificuldade em dissipá-lo do sistema. Em consequência, tem existido por parte dos investigadores uma intensa e constante busca de novas soluções para que a miniaturização dos circuitos possa prosseguir, em particular têm considerado o grau de liberdade do spin do electrão que até há pouco era ignorado. Tal como a carga do electrão, o spin também pode gerar uma corrente, chamada de corrente de spin, ou seja, a propriedade do spin do electrão adicionada à electrónica pode revolucionar a electrónica dos dias de hoje; estamos portanto em presença de um novo ramo da electrónica, designado por electrónica de spin ou spintrónica. Com a consideração do grau de liberdade do spin do electrão podemos fabricar dispositivos para detectar, processar, armazenar e transferir informação (aumentando a funcionalidade dos dispositivos convencionais). O desenvolvimento destes dispositivos é melhorado pelo uso de materiais ferromagnéticos, uma vez que podem ser utilizados como fontes de correntes com elevado grau de polarização de spin. Apesar dos inúmeros materiais actualmente investigados com estas características, o mais atractivo é o CrO2 por ser um meio-metal (“half-metal”) com uma polarização de spin teoricamente prevista de 100%, uma temperatura de Curie bem acima da temperatura ambiente e magnetização de 2 μB/f.u. Devido à importância deste composto tem sido efectuado um grande esforço para desenvolver métodos eficientes para a sua produção. Porém, a obtenção deste material acarreta dificuldades uma vez que é termodinamicamente metaestável para pressões ≤ 1 bar e, quando aquecido a temperaturas elevadas, decompõe-se facilmente numa fase mais estável e antiferromagnética, o Cr2O3. Iv. Actualmente, continua-se a pesquisar diferentes técnicas de deposição destes filmes a fim de se conseguir obter filmes finos de CrO2 de elevada pureza e qualidade. Com este trabalho pretende-se contribuir para o desenvolvimento e conhecimento das técnicas de preparação deste tipo de filme, nomeadamente a deposição química a partir de vapor (CVD). No nosso trabalho foi usado um CVD convencional, ou térmico, técnica caracterizada por um maior sucesso na produção de CrO2. De acordo com a literatura, usa-se CrO3 como precursor e O2 como gás de transporte, obtendo-se os melhores resultados para o intervalo de temperaturas de deposição entre 390-400 ºC e fluxos de 500 sccm. Para condições diferentes destas, os filmes mostram a presença de outros óxidos de crómio para além de CrO2. Com o objectivo de produzir filmes de fase pura de CrO2 foram realizadas deposições usando um reactor de CVD em relação ao qual estudos anteriores provaram a sua eficiência e reprodutibilidade na preparação de filmes de CrO2 sobre Al2O3. No presente trabalho, utilizámos substratos de TiO2, material que apresenta uma estrutura cristalográfica idêntica à do CrO2, o que pode contribuir para a eliminação ou minimização do aparecimento de determinados óxidos de crómio, como precursor do crómio o CrO3 e como gás de transporte o oxigénio e/ou árgon. A caracterização estrutural dos filmes foi feita usando a técnica de Difracção de Raio-X (DRX), a microestrutura e a espessura foram obtidas por Microscopia Electrónica de Varrimento (FEG-SEM), e a análise magnética foi realizada com a ajuda de um magnetómetro baseado no efeito magneto-óptico ou de Kerr (MOKE). Os resultados da caracterização do material mostraram que é possível produzir filmes epitaxiais usando diferentes temperaturas de deposição entre os 370 ºC e os 390ºC, com fluxos de oxigénio e/ou de árgon. No caso em que o gás de transporte é o oxigénio observamos elevada percentagem de CrO2 presente nos filmes (temperatura de deposição 390ºC) em que não se verificam variações significativas para o intervalo de fluxos entre 50-200 sccm; contudo, para fluxos superiores, a percentagem de CrO2 diminui em oposição à percentagem do óxido parasita, Cr2O3. A microestrutura superficial varia consoante a espessura do filme mas, em geral, observa-se o crescimento epitaxial em que quanto maior a espessura mais homogéneos são os filmes e mais difícil se torna distinguir o seu modo de crescimento. Como já foi referido, independentemente das condições de deposição, observa-se a presença de pequenas quantidades de Cr2O3. Pensa-se que este óxido se encontra sobre a superfície do CrO2. Quando se comparam os filmes obtidos com árgon com os obtidos com oxigénio concluímos que para tempos de deposição elevados v ambos apresentam a mesma percentagem de CrO2 e a mesma microestrutura superficial. Relativamente ao comportamento magnético, todos os filmes analisados apresentam anisotropia magnética, a coercividade varia com a espessura do filme e a magnetização de saturação (medida para um filme, com um SQUID), à temperatura ambiente, está de acordo com os valores da literatura para o CrO2 volúmico.Microelectronics owes its development to semiconductor devices, which work on ever- smaller circuit boards. The high number of transistors needed to be placed on a reduced area causes heat generation and dissipation related difficulties to arise. Therefore it is necessary to find new ways to overcome the problems. Recently, a new field called spin electronics or spintronics has emerged which exploits the electron spin besides the electron charge. This new branch is developing rapidly due to the use of ferromagnetic materials with a high degree of spin polarization. Among the many materials investigated one of the most attractive is the CrO2, which is a “half-metal” fully spin polarized at the Fermi level, with a Curie temperature well above room temperature and a magnetization of 2 μB per formula unit. This work contributes to the development and the knowledge of preparation techniques for this type of films, namely Chemical Vapor Deposition (CVD). Aiming at the preparation of phase pure films of CrO2, conventional CVD (thermal) was carried out in a reactor previously used in similar experiments on sapphire, in which it proved to be highly efficient and reliable. Substrates of TiO2 (rutile) were used because of an identical crystallographic structure to the CrO2, which can eliminate or minimize the growth of other, more stable, chromium oxides. The precursor used was CrO3 and the carrier gas was oxygen and argon. The results from the material characterization show that it is possible to grow epitaxial films using different deposition temperatures, from 370 ºC to 390ºC, for both carrier gases. Regardless of the deposition conditions, there is the presence of a small amount of Cr2O3 that is believed to form on top of the CrO2 film during the cooling stage