Semiconductores y aislantes magnéticos diluidos para aplicaciones en espintrónica

Objetivo

Realizar la síntesis de nanopartículas y nanotubos de óxidos simples, con y sin dopaje con impurezas magnéticas. Caracterizar las muestras a través de las técnicas de rayos X y microscopía electrónica de barrido y transmisión. Medir el área específica de las estructuras obtenidas. Realizar un estudio de las propiedades magnéticas de las muestras en función del dopaje con impurezas magnéticas.
Adicionalmente existe la posibilidad de continuar este trabajo desde el punto de vista computacional en colaboración con la Dra. Valeria Ferrari del grupo de Cálculo Avanzado (CAC-CNEA).

Antecedentes

La necesidad de materiales para dispositivos de espintrónica (una electrónica en la cual se tenga control del spin de los portadores de carga) ha generado que gran parte del trabajo de investigación actual se concentre en el estudio y desarrollo de semiconductores magnéticos, dada la dificultad de inyectar espines polarizados en semiconductores tradicionales y que éstos mantengan su polarización.
Dietl y colaboradores, realizaron un trabajo teórico [1] en el cual predijeron ferromagnetismo a temperatura ambiente para el semiconductor ZnO (el cual es no magnético), cuando películas delgadas de éste son dopadas con impurezas magnéticas diluidas de Mn. De ahí en adelante, los óxidos magnéticos diluidos comenzaron a ser estudiados intensamente. Sin embargo, el origen del ferromagnetismo a temperatura ambiente de estos materiales sigue siendo una incógnita. Muchos de los autores creen que la presencia de vacancias de oxígeno en la superficie juega un rol preponderante en este efecto.

El CeO2 es un óxido no magnético, cuyas características como la alta constante dieléctrica, una estructura compatible con el Silicio y con capacidad para acomodar vacancias, lo hacen interesante como material de estudio para posibles aplicaciones. El hecho de que el sistema muestre ferromagnetismo a temperatura ambiente al ser dopado con impurezas magnéticas diluidas [2] o al ser nanoestructurado [3], lo hace un potencial candidato en sistemas en que se quiera inyectar o detectar espines polarizados. Los experimentos con dopaje muestran que el momento magnético de las impurezas magnéticas no es suficiente para dar cuenta del magnetismo observado. Actualmente se discute la influencia de las vacancias de oxígeno y la contribución del CeO2 circundante en el fenómeno.

Metodología:

Nuestro objetivo es desarrollar muestras en donde los efectos de superficie se vean optimizados, por esto proponemos estudiar muestras nanoestructuradas de óxido de Cerio, en las cuales la relación superficie/volumen es típicamente grande.
El estudio está motivado en experimentos recientes, en los que se ha observado magnetismo tanto en películas de óxidos simples así como también en la interfaz entre dos óxidos no magnéticos [4]. El origen de este magnetismo aún no está claro y hay especulaciones acerca de la influencia de la desoxigenación durante el crecimiento de las muestras y la dimensionalidad.

En cuanto a la síntesis de nanopartículas y nanotubos, comenzaremos estudiando CeO2 sin dopante y con un 5% de Co, respectivamente. En una primera etapa estudiaremos las condiciones necesarias para obtener los compuestos (temperatura, tiempo, atmósfera) y posteriormente optimizaremos los mismos para obtener partículas y tubos de distintos tamaños.

Las muestras serán caracterizadas mediante difracción de rayos X para identificar los compuestos formados y mediante microscopías electrónicas (de barrido y transmisión) y de fuerza atómica para identificar su morfología.
También realizaremos mediciones de área específica, esta variable será un parámetro fundamental, dado el rol que la superficie parece tener en el magnetismo de estos compuestos.

Realizaremos un estudio de las propiedades magnéticas en función de la temperatura, variando concentración de dopante.

Factibilidad

En el Laboratorio contamos con la capacidad de sintetizar muestras policristalinas por el método de Sol-Gel y por la vía de estado sólido. Recientemente el grupo ha desarrollado experiencia en síntesis de muestras nanoestructuradas de distintos óxidos simples (ZnO, SnO2, TiO2, CeO2, ZrO2) y complejos (cobaltitas de tipo LaSrCoO, manganitas de tipo LaSrMnO, cupratos superconductores como YBaCuO, etc).

Para la caracterización de las muestras tenemos acceso a las facilidades experimentales del CAC, como los microscopios electrónicos de barrido y de transmisión, AFM y difractómetros de rayos X.
El laboratorio cuenta con un equipo para medir área específica de marca Micromieritics, modelo ASAP 2020.
Contamos con un sistema para medir propiedades de transporte eléctrico en función de la temperatura (25 - 300 K) y campo magnético (< 1 Tesla).
Contamos también con un magnetómetro de muestra vibrante (Versalab Quantum Design): rango de temperatura: 50-400 K, rango de campo magnético < 3 Tesla.
Los integrantes del grupo formamos parte de la Red Nacional de Magnetismo (RN3M), con acceso al uso de un magnetómetro PPMS que cuenta con un imán de 9 Tesla y a un MPMS con un imán de 7 Tesla (ambos Quantum Design), para medir resistividad y magnetización en función de la temperatura.

[1] Dietl et al, Science 287 1019(2000).
[2] Tiwari A. et al, Appl. Phys. Lett. 88, 142511 (2006).
[3] Sundaresan A. et al, Phys. Rev. B 74,161306R (2006).
[4] Brinkman, A., Huijben, M., Zalk, M. V., Huijben, J., Zeitler, U., Maan, J. C., der Wiel, W. G. V., Rijnders, G., Blank, D. H. A., and Hilgenkamp, H. Nature Materials 6, 493-496 (2007).