Estudio de las propiedades físicas del TiO2:Co como un semiconductor magnético diluido para aplicaciones en espintrónica

Abstract

Este trabajo presenta un studio de las propiedades estructurales, morfológicas, eléctricas y magnéticas de películas delgadas fabricadas por DC “magnetrón co-sputtering” y nanotubos obtenidos por anodizado electroquímico de TiO2:Co. A partir de medidas de XRD, XRD y Raman se identificaron los polimorfos de TiO2 rutilo y anatasa, de acuerdo a los métodos de fabricación. Adicionalmente, se observó a partir de las medias de AES y RBS, que la temperatura ambiente y recocido posterior en las películas, permitió la difusión del Co dentro de la matriz semiconductora, Micrografías SEM, AFM, Y MFM evidenciaron la formación de pequeños granos sin la formación de dominios magnéticos en la superficie. Las medidas magnéticas mostraron un comportamiento como un ferromagnético de las películas delgadas y de los nanotubos de TiO2:Co asociado a la presencia de una curva de histéresis. Se asoció la histéresis a la combinación de interacciones dipolares y de super intercambio de acuerdo al modelo planteado, donde la simulación se realizó considerando momentos magnéticos aislados diluidos en una matriz no magnética. Los resultados experimetnales y teóricos indican que las nanoestructuras de TiO2:Co son un material semiconductor magnético diluido para aplicaciones espintrónicas. De acuerdo a lo anterior, se realizó la funcionalización de las nanoestructuras de TiO2:Co como memorias no volátiles. En este trabajo se propone un modelo para la formación de filamentos conductores asociados a la redistribución de portadores de carga, la contribución del Co y las vacancias de oxígeno en los nanotubos y las películas delgadas, en comparación con el proceso redox propuesto por otros autores hara la descripción de las memorias no volátiles. El fenómeno de magneto-resistencia presente en las curvas I-V afecta las regiones de escritura y borrado en memorias basadas en nanotubos y películas delgadas, cuando se aplica un campo magnético externo.

Abstract: This work presents a study of the structural, morphological, electrical and magnetic properties of TiO2:Co thin films deposited by DC magnetron co-sputtering and nanotubes by electrochemical anodization varying the concentration of the Co and TiO2. From XRD, XRD and Raman measurements the identification of TiO2 polymorphus (Rutile and Anatase phases) was observed according to the deposition process. Additionally, when the substrate is kept at room temperature and when an in situ annealing process is applied, the random segregation Co ions was identified through the AES and RBS techniques. SEM, AFM, and MFM micrographs evidence the formation of smaller grains without formation of the magnetic domains. Magnetic measurements show a ferromagnetic-like behavior associated to magnetic hysteresis loop. We associate the hysteresis to a combination of dipolar and super-exchange interactions as suggested by numerical simulations of isolated magnetic moments diluted into a non-magnetic matrix. Our experimental and theoretical results indicate that we have indeed fabricated dilute semiconductors and will allow cheaper ways to produce DMS for spintronic applications. Functionalization of material was realized using the thin films and nanotubes of DMS TiO2:Co for Non-Volatile Memories. This work proposes a model of the conduction by filament formation associated to re-distribution of the charge carriers and contribution of Co impurities on wall bound of nanotubes and thin films, in comparison with the redox process reported in the literature. Magneto-resistance phenomena in the I-V curves affects the write and erase region of the RRAM based on nanotubes, when magnetic field was applied.