CENTRO DE INVESTIGACIN EN

MATERIALES AVANZADOS, S. C. POSGRADO

TITULO

Comparacin de la magnetizacin de las pelculas

de SnO2:Co sobre a-zafiro, r-zafiro y SnO2 puro

medidas con el campo magntico aplicado en

paralelo y perpendicular al plano.

Tesis que para obtener el grado de maestra en nanotecnologa

PRESENTAN:

ING. EDGAR FERNANDO PACHECO ESCALANTE

ING. JAVIER GARNICA SORIA

DIRECTOR DE TESIS:

DR. SION FEDERICO OLIVE MNDEZ

GUADALAJARA, JALISCO, MXICO AGOSTO DE 2014

i

TABLA DE CONTENIDO

LISTA DE ILUSTRACIONES ............................................................................................ iii

LISTA DE TABLAS ......................................................................................................... viii

LISTA DE ECUACIONES ................................................................................................ viii

AGRADECIMIENTOS ....................................................................................................... ix

RECONOCIMIENTOS ....................................................................................................... xi

RESUMEN ......................................................................................................................... 1

1. INTRODUCCIN ........................................................................................................ 2

1.1. JUSTIFICACIN ................................................................................................. 4

1.2. HIPTESIS ......................................................................................................... 5

1.3. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................ 5

1.4. OBJETIVOS ESPECFICOS ............................................................................... 5

2. FUNDAMENTOS TERICOS .................................................................................... 6

2.1. ESPINTRNICA ................................................................................................. 6

2.2. XIDOS MAGNTICOS DILUIDOS. (OMD) ....................................................... 8

2.3. DISPOSITIVOS Y PRODUCTOS ...................................................................... 15

2.4. TRANSISTOR MOSFET .................................................................................... 16

2.5. NANOTRANSISTORES .................................................................................... 18

2.6. TRANSISTOR SPIN-FET .................................................................................. 19

2.7. DIXIDO DE ESTAO (SnO2) .......................................................................... 22

2.8. TEMPERATURA DE CURIE ............................................................................. 25

2.9. FERROMAGNETISMO EN LOS OMD. ............................................................. 26

2.10. ANISOTROPA MAGNETO CRISTALINA EN LOS OMD .............................. 30

2.1. PELCULAS DELGADAS, SNTESIS, DEPOSICIN, DISLOCACIN Y

CARACTERIZACIN. ................................................................................................. 37

2.11.1. PELCULAS DELGADAS ....................................................................... 37

2.11.2. SNTESIS ............................................................................................... 38

ii

2.11.3. DEPOSICIN ......................................................................................... 38

2.11.4. DISLOCACIN ....................................................................................... 40

2.11.5. CARACTERIZACIN ............................................................................. 42

3. METODOLOGA EXPERIMENTAL .......................................................................... 50

3.1. PREPARACIN DE TARGET DE CO.05SN.95O2. .............................................. 50

3.2. PREPARACIN DE LOS SUSTRATOS. .......................................................... 52

3.3. ANLISIS POR ENERGA DISPERSIVA (EDS). .............................................. 53

3.4. DEPOSICIN POR EROSIN CATDICA (Sputtering). ................................. 54

3.5. MICROSCOPA PARA ESPESORES (SEM). ................................................... 62

3.6. MICROSCOPA DE FUERZA ATMICA (AFM) ............................................... 64

3.7. DIFRACCIN DE RAYOS X (XRD) .................................................................. 65

3.8. MEDICIN DE LA MAGNETIZACIN .............................................................. 68

4. RESULTADOS Y DISCUSIN ................................................................................. 69

4.1. DIFRACCIN DE RAYOS X (XRD DE TARGET DE CO.05Sn.95O2 Y PELCULAS

DELGADAS ................................................................................................................. 70

4.2. MICROSCOPA PARA ESPESORES (SEM). ................................................... 72

4.3. MICROSCOPIA DE FUERZA ATMICA (AFM) ............................................... 73

4.4. ANLISIS ELEMENTAL POR ENERGA DISPERSIVA (EDS) ......................... 75

4.5. MEDICIN DE LA MAGNETIZACIN .............................................................. 76

4.6. CALCULO DE LA MAGNETIZACIN POR TOMO DE COBALTO ................ 80

5. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 82

BIBLIOGRAFA ............................................................................................................... 83

iii

LISTA DE ILUSTRACIONES

Ilustracin 1 - Origen de los dipolos magnticos: (a) El giro del electrn produce un campo

magntico con direccin que depende del nmero cuntico ms, (b) Los electrnes crean un

campo magntico alrededor del tomo, al girar en su rbita alrededor del ncleo. [3] [Figura

19-1] ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7

Ilustracin 2 - Tabla peridica de los elementos. Se resaltan los elementos que son metales

de transicin 3d [4] ------------------------------------------------------------------------------------------- 8

Ilustracin 3 - rbol de familia magntica [5] --------------------------------------------------------- 11

Ilustracin 4 - Interaccin de superintercambio entre dos iones --------------------------------- 12

Ilustracin 5 - Distribucin aleatoria de los iones magnticos 3d. ------------------------------- 13

Ilustracin 6 - Formacin de los BMP, y la forma en que estos adoptan una misma

orientacin magntica luego de un traslape. Los iones de Co aislados se comportan como

elementos magnticos de un material paramagntico. Nature Materials 4, 173 - 179 (2005).

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 13

Ilustracin 7 - Variacin de la temperatura de orden magntico en un xido magntico

diluido con interacciones de superintercambio. La lnea punteada es la prediccin de la

teora del campo medio de largo alcance interacciones, xp es el umbral de percolacin.

(Cap. 19, Magnetism of Diluted xides, J.M.D. Coey. School of Physics and CRANN,

Trinity College, Dublin 2, Ireland) ------------------------------------------------------------------------ 14

Ilustracin 8 - Algunos dispositivos de la espintrnica: a) diodo emisor de luz (spin-LED), b)

Transistor Spin-FET. [9] ----------------------------------------------------------------------------------- 15

Ilustracin 9 Memoria RAM Magntica chip ST-MRAM modelo EMD3D064M a 64Mbit.

Everspin Technologies ------------------------------------------------------------------------------------- 15

Ilustracin 10 - Disco duro. Seagate Technology---------------------------------------------------- 15

Ilustracin 11 - Dibujo esquemtico de un MOSFET ----------------------------------------------- 16

Ilustracin 12 - Funcionamiento de un transistor MOSFET: (a) Sin voltaje, (b) Con voltaje

negativo, (c) Con voltaje positivo, (d) Con voltaje muy positivo ---------------------------------- 16

Ilustracin 13 - MOSFET de tipo decremental de canal n. ---------------------------------------- 17

Ilustracin 14 - a) Una micrografa electrnica de barrido de un probador de MOSFET (los

contactos de metal de source, gate, y drain). La seccin transversal de la MOSFET

(azul lnea discontinua) se muestra en la fig. (b). (b) Una micrografa electrnica de

transmisin de un canal de un MOSFET muestra la longitud de gate que es nominalmente

file:///D:/Dropbox/CIMAV%20Presentacin%20para%20examen/Tesis%20Nanotecnologa%20(Redaccin%20final).docx%23_Toc397790231file:///D:/Dropbox/CIMAV%20Presentacin%20para%20examen/Tesis%20Nanotecnologa%20(Redaccin%20final).docx%23_Toc397790231file:///D:/Dropbox/CIMAV%20Presentacin%20para%20examen/Tesis%20Nanotecnologa%20(Redaccin%20final).docx%23_Toc397790233

iv

de 30 nm con un espesor de 1,3 nm de gate, que esta dopado con polisilicio de espesor

de 95nm con una tira de CoSi2. Las paredes laterales son de 40nm y consisten en una

pared gruesa de xido de 10 nm por debajo de otra de nitruro de silicio de 30 nm. Una vista

ampliada de la zona de contorno rojo se muestra en la figura. (c). El xido que est en gate

aparenta ser de unos 1,3 nm de espesor. ------------------------------------------------------------- 18

Ilustracin 15 - Transistor de Efecto de Campo con spin polarizado a) El electrn sale desde

la fuente hacia el colector y su spin puede ser controlado porque existe voltaje en la

compuerta Vg>>0, b) cuando no se aplica un voltaje en la compuerta Vg=0 el spin del

electrn no se puede controlar. -------------------------------------------------------------------------- 19

Ilustracin 16 - Movimientos de un electrn a) movimiento de rotacin b) movimiento de

translacin ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 20

Ilustracin 17 - Estructura de tetragonal tipo rutilo para el SnO2 (Imagen obtenida por medio

de CaRIne Crystallography 3.1) ------------------------------------------------------------------------- 22

Ilustracin 18 - Fotografa del SnO2 (casiterita) [13] ------------------------------------------------ 22

Ilustracin 19 - Efecto de la temperatura sobre (a) el ciclo de histresis y (b) la remanencia.

El comportamiento ferromagntico desaparece por encima de la Temperatura de Curie.

Imagen tomada de [21] p. 861 --------------------------------------------------------------------------- 25

Ilustracin 20 - Efecto del material del ncleo sobre la densidad de flujo en los materiales

diamagnticos el momento magntico se opone a campo. Para una misma intensidad de

campo se presentan momentos progresivamente ms elevados en los materiales

paramagnticos, ferrimagnticos y ferromagnticos. ----------------------------------------------- 26

Ilustracin 21 - Los electrones que se encuentran fuera del polarn tienen sus spines

orientados al azar, mientras que los que estn dentro de la zona magntica tienen sus

spines completamente orientados [22]. ---------------------------------------------------------------- 27

Ilustracin 22 - Posiciones atmicas enteras y fraccionarias ------------------------------------- 30

Ilustracin 23 - Curvas de histresis de pelculas 2 dopadas con Fe (panel superior) y

Co (panel inferior). En ambas paneles se muestran mediciones con el campo magntico

aplicado paralelo (crculos vacos ) y perpendicular (crculos slidos ) a la superficie. La

magnetizacin es mayor cuando el campo se aplica perpendicular al plano ----------------- 31

Ilustracin 24 - Direcciones cristalogrficas con origen en 0 y distinto de 0. ----------------- 32

Ilustracin 25 - Plano [100] ------------------------------------------------------------------------------- 33

Ilustracin 26 - Plano [632] ------------------------------------------------------------------------------- 34

Ilustracin 27 - Cuando el plano pasa y no pasa por el origen. --------------------------------- 34

v

Ilustracin 28 Curvas de magnetizacin para cristales simples de Fe (a) y Ni (b) (Graham

& Cullity, 2009) ----------------------------------------------------------------------------------------------- 34

Ilustracin 29 - Imgenes HRTEM de media y alta magnificacin, obtenidas con pelcula

delgada de Cu3BiS3. b. Difractograma (Univ. Sci. 2014, Vol. 19 (2): 99-105doi:

10.11144/Javeriana.SC19-2.ehef) ---------------------------------------------------------------------- 37

Ilustracin 30 - Clasificacin de tcnicas de deposicin ------------------------------------------- 38

Ilustracin 31 - .(M.S. Raven. Review: Radio Frequency Sputtering and the Deposition of

high Temperature Superconductors. J. Mat. Sci.:Mat. In Elec, 5,129-146(1994).) -------- 39

Ilustracin 32 - (a) Cuando se aplica un esfuerzo a la dislocacin en (a), los tomos se

desplazan y hacen que la dislocacin se mueva un vector de Burgers en la direccin de

deslizamiento (b). El movimiento continuo de la dislocacin crea al final un escaln (c) y el

cristal queda deformado. (d) El movimiento de una oruga es parecido al de una dislocacin.

(D. R. Askeland y P. P. Phul, Materiales magnticos, de Ciencia e ingeniera de los

materiales, 2004, pp. 142 fig 4-8). ---------------------------------------------------------------------- 40

Ilustracin 33 - (a) Imagen TEM de corte seccional de pelcula crecida de 2 /

mostrndose una fuerte dislocacin (TDs) formndose en la interface y se propaga a travs

de la capa. La expansin de la regin se muestra fuera de la lnea roja. (b) demostrando la

altsima densidad de dislocaciones en la regin de menos de 110 nm desde la interfaz. (c)

Perfil correspondiente a la densidad de dislocaciones frente a la profundidad (distancia de

la interfaz). Como la concentracin de dislocaciones es ms alta cerca de la interfaz, hay

un mayor grado de error en las densidades de dislocaciones medidas. La curva slida

representa el ajuste exponencial de los puntos de los datos [26]. ------------------------------ 41

Ilustracin 34 - Microscopio Electrnico de Barrido de Emisin de Campo ------------------- 42

Ilustracin 35 - Partes del Microscopio electrnico de barrido ----------------------------------- 43

Ilustracin 36 - Equipo de Anlisis Elemental por Energa Dispersa. El Nova NanoSEM200

est acoplado con un Sistema de Microanlisis Marca Oxford Modelo INCA X-Sight [28].

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 44

Ilustracin 37 - - Imagen obtenida en el equipo EDS ----------------------------------------------- 44

Ilustracin 38 - Microscopio de Fuerza Atmica Veeco SPM Multimode - CIMAV ---------- 45

Ilustracin 39 - a) cabello, b) bacilo "anclado" sobre una base de vidrio, c) plano de clivaje

de la mica. Note las diferentes escalas y que en (c) se resuelven detalles bastante menores

de 1 nm. ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 46

Ilustracin 40 - Equipos de difraccin de rayos X. Izquierda: Panalytical Empyream Derecha:

Philips X'Pert MPD ------------------------------------------------------------------------------------------ 47

vi

Ilustracin 41 - Imagen obtenida en equipo de XRD [30]. ----------------------------------------- 48

Ilustracin 42 - Sistema de Medicin de Propiedades Fsicas PPMS ------------------------- 49

Ilustracin 43 - Proceso de preparacin del target. De izquierda a derecha: Mezcla,

molienda, prensado y sinterizado. ---------------------------------------------------------------------- 51

Ilustracin 44 - Obleas de xido de aluminio Al2O3 Ilustracin 45 - Trozo de la oblea de

xido de aluminio Al2O3 52

Ilustracin 46 - Equipo de limpieza por ultrasonido Branson 3510. Ilustracin 47 - Limpieza

de los sustratos de Al2O3 52

Ilustracin 48 - El Nova NanoSEM200 est acoplado con un Sistema de Microanlisis Marca

Oxford Modelo INCA X-Sight. ---------------------------------------------------------------------------- 53

Ilustracin 49 - Equipo de Sputtering marca AJA International Inc. Mod. Orion 5 UHV. --- 54

Ilustracin 50 - Cmara del sputtering y magnetrones de equipo de Sputtering marca AJA

International Inc. Mod. Orion 5 UHV -------------------------------------------------------------------- 56

Ilustracin 51 - Vista inferior de la ubicacin de los magnetrones ------------------------------- 56

Ilustracin 52 - Panel de calibracin del generador de radiofrecuencia y potencia de Equipo

de Sputtering marca AJA International Inc. Mod. Orion 5 UHV ---------------------------------- 57

Ilustracin 53 - Colocacin de la muestra del sustrato en el plano porta muestras del

equipo. --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 58

Ilustracin 54 - De izquierda a derecha: Colocacin dl plato porta muestras en la pre-

cmara. Colocacin de tapa de la pre-cmara para cierre hermtico. Ajuste de la presin

de la pre-cmara a 1.962x10-6 torr ---------------------------------------------------------------------- 58

Ilustracin 55 Izquierda: Vlvula de control de presin de cmara principal de equipo de

erosin catdica. Derecha: Panel LCD de control de presin de la cmara principal de

equipo de erosin catdica ------------------------------------------------------------------------------- 59

Ilustracin 56 - Introduccin de la muestra a la cmara principal ------------------------------- 59

Ilustracin 57 - Panel de control para el suministro de gas Argn ------------------------------ 60

Ilustracin 58 - Red de distribucin y control de gas argn y aire. ------------------------------ 60

Ilustracin 59 - Generacin del plasma para la erosin catdica. ------------------------------- 61

Ilustracin 60 - Microscopio Electrnico de Barrido de Emisin de Campo Modelo Nova

Nano SEM 200 Marca FEI -------------------------------------------------------------------------------- 62

Ilustracin 61 - Difractgrama de rayos X del SnO2 generado por Carine -------------------- 67

Ilustracin 62 - Magnetizacin perpendicular al plano [010] y paralela al plano [-101]. ---- 68

Ilustracin 63 - Grfica de anlisis XRD del target de SnO2:Co --------------------------------- 70

Ilustracin 64 - Resultados del anlisis XRD de las pelculas delgadas ----------------------- 71

vii

Ilustracin 65 - Imgenes obtenidas en equipo SEM de pelculas delgadas. De izquierda a

derecha: 2: / 2: / 2: 2 / .

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 72

Ilustracin 66 - Imagen de AFM de a-zafiro (0.093 nm) Ilustracin 67 - Imagen de AFM de

SnO2:Co/a-zafiro (3.05 nm) 73

Ilustracin 68 - Imagen de AFM de sustrato r-zafiro (0.128 nm) Ilustracin 69 - Imagen de

AFM de SnO2/r-zafiro (4.46 nm) 74

Ilustracin 70 - Imagen de AFM de SnO2/SnO2/r-zafiro (8.32 nm) Ilustracin 71 - Imagen de

AFM de SnO2:Co/r-zafiro (2.28 nm) 74

Ilustracin 72 - Grfico obtenido en el EDS donde se muestra la composicin del target de

SnO2:Co ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 75

Ilustracin 73 - Grfica de magnetizacin de la pelcula de SnO2: Co/a-zafiro perpendicular

y paralela (b). ------------------------------------------------------------------------------------------------- 77

Ilustracin 74 - Grfica de magnetizacin de la pelcula SnO2:Co/SnO2/r-zafiro

perpendicular y paralela (b). ------------------------------------------------------------------------------ 78

Ilustracin 75 - Grfica de magnetizacin de la pelcula SnO2: Co/r-zafiro perpendicular y

paralela (b). --------------------------------------------------------------------------------------------------- 79

Ilustracin 76 - Encabezado del artculo publicado por el Dr. Ogale y colaboradores sobre

la magnetizacin de la pelcula SnO2:Co/r-zafiro en el ao 2004. ------------------------------- 80

viii

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 - Giros de los electrones del nivel 3d en los metales de transicin, incluyendo

flechas que indican la direccin de giro. ______________________________________ 10

Tabla 2 - Temperatura de Curie para materiales seleccionados ____________________ 25

Tabla 3 - ndices de Miller [100] _____________________________________________ 33

Tabla 4 - ndices de Miller [632] _____________________________________________ 33

Tabla 5 - ndices de Miller [1 1 -0] ___________________________________________ 34

Tabla 6 - Energa de anisotropa cristalina para varias direcciones en un cristal cbico.

(Cullity, B., & Graham, C. (2009). Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley. pp

201 Table 7.1) __________________________________________________________ 35

Tabla 7 - Directions of Easy, Medium, and Hard Magnetization in a Cubic Crystal. . (Cullity,

B., & Graham, C. (2009). Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley. pp.. 202

Table 7.2)______________________________________________________________ 36

Tabla 8 - Diferentes parmetros de calibracin para equipo de erosin catdica _______ 55

Tabla 9 - Pelculas de SnO2:Co sobre los diferentes sustratos. ____________________ 61

Tabla 10 - Resultados de las diferentes muestras en el equipo de AFM _____________ 73

Tabla 11 - Resultados obtenidos en el equipo de EDS para la muestra de SnO2:Co ____ 75

Tabla 12 - Magnetizacin en la muestra de SnO2:Co/a-zafiro. _____________________ 77

Tabla 13 - Magnetizacin en la muestra de SnO2:Co/SnO2/r-zafiro. _________________ 78

Tabla 14 - Magnetizacin en la muestra de SnO2:Co/r-zafiro. _____________________ 79

LISTA DE ECUACIONES

Ecuacin 1 - Magnetn de Bohr _____________________________________________ 7

Ecuacin 2 - Ecuacin de Curie-Weiss _______________________________________ 27

Ecuacin 3 - Energa de anisotropa cristalina. (Cullity, B., & Graham, C. (2009).

Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley.p 201 Ec.7.1) __________________ 35

Ecuacin 4 - Ecuacin de la Ley de Bragg ____________________________________ 66

file:///D:/Dropbox/CIMAV%20Presentacin%20para%20examen/Tesis%20Nanotecnologa%20(Redaccin%20final).docx%23_Toc397789606

ix

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a quienes se han distinguido por haberme permitido el realizar tanto los

estudios de la maestra en nanotecnologa como el presente proyecto de tesis.

En primer lugar a las autoridades de la Universidad Tecnolgica de Jalisco, por tener la

iniciativa e inters de que el personal docente est ms y mejor preparado, en vista de que

las necesidades culturales y educativas que demanda la comunidad estudiantil de esta

honorable casa de estudios, son cada vez mayores, lo cual es una gran motivacin para

dar lo mejor de s y contribuir en la formacin de profesionistas altamente competitivos para

su insercin en el campo laboral.

Especialmente quiero agradecer al M. en C. Romn Amezcua Castrejn, Director de la

carrera de Mecatrnica rea Automatizacin, por la confianza incondicional depositada

hacia mi persona y por permanecer siempre atento en todo el proceso acadmico desde su

inicio hasta su culminacin.

A las autoridades de CIMAV Chihuahua, por facilitar el uso de los equipos e instalaciones

y llevar a cabo la parte experimental del presente proyecto. Muy en especial agradezco al

Dr. Sion Federico Olive Mndez por asesorarme y guiarme con dedicacin y paciencia

durante todo el proceso de investigacin sin importar horario, das laborales, fines de

semana o vacaciones, ya que en todo momento mostr la mxima disponibilidad para llegar

hasta estas instancias.

A mi familia, por apoyarme a lo largo de este proyecto, por dar su mejor esfuerzo siempre,

en donde hubo mltiples momentos en los que no fue posible estar al lado de ellos,

privndome del gusto de compartir tantos momentos felices con mi esposa y mis hijos.

Ing. Javier Garnica Soria

x

ste trabajo est dedicado a todas aquellas personas que fueron una fuente de inspiracin

y a aquellos que participaron de forma directa o indirecta para llegar a la conclusin de sta

etapa de mi formacin acadmica.

Agradezco a la Universidad Tecnolgica de Jalisco (UTJ) por la confianza y apoyo brindado

durante stos dos aos de arduo trabajo y dedicacin para la obtencin del grado de

maestro.

Agradezco al Mtro. Romn Amezcua, director de la carrera de Mecatrnica de la

Universidad Tecnolgica de Jalisco, por el total apoyo y confianza prestada para

desempear nuestras actividades propias de la maestra.

Agradezco al Centro de Investigacin de Materiales Avanzados (CIMAV) por las facilidades

otorgadas para la realizacin de la parte experimental y desarrollo del tema de

investigacin.

Agradezco al Dr. Sion Federico Olive Mndez por su dedicacin y paciencia para guiarnos

de manera efectiva y por sus consejos que nos brind durante nuestra estancia en las

instalaciones de CIMAV Chihuahua.

Agradezco a mi familia por sobrellevar los infortunios ocasionados por la falta de tiempo y

dedicacin que no tuve en stos dos aos de preparacin acadmica.

Agradezco a mi madre por darme toda la confianza y apoyo en sta parte de mi vida, y por

ser un ejemplo a seguir, siendo ella mi principal referencia para ser una mejor persona cada

da y encontrar la superacin profesional y personal.

Agradezco a mis amistades y familiares por los consejos y buenos deseos en todo ste

proceso, en especial a la Ing. Sheyla Judith Mayorqun Hernndez por sus acertados

consejos y sugerencias que fueron bastante oportunos y convenientes.

Ing. Edgar Fernando Pacheco Escalante

xi

RECONOCIMIENTOS

A mi director de tesis, Dr. Sin Federico Olive Mndez por hacer posible lo inimaginable,

brindndome la oportunidad de desarrollar el presente trabajo y obtener los frutos que se

cosecharon a lo largo de dos aos, gracias por no desistir cuando todo pareca perdido,

gracias por el conocimiento, la experiencia pero sobre todo su amistad.

Al Centro de Investigacin en Materiales Avanzados, S. C. (CIMAV) por brindarme la

oportunidad de pertenecer a esta gran institucin y formar parte de la gran familia CIMAV,

agradezco el tiempo que se me permiti estar en sus laboratorios, el apoyo de todo su

personal especialmente a mis asesores que estuvieron en todo momento.

A la Universidad Tecnolgica de Jalisco (UTJ) que permiti este proyecto de preparacin

brindando todas las facilidades para el llevar a cabo el estudio de la maestra en

nanotecnologa mediante su gestin tanto en las ciudades de Len, Guanajuato como en

Chihuahua, Chihuahua.

1

RESUMEN

En este trabajo se muestran los resultados obtenidos de la metodologa experimental de la medicin de la magnetizacin con campos magnticos aplicados paralela y perpendicularmente al plano en pelculas delgadas constituidas por un xido magntico diluido (OMD), especficamente en el dixido de estao dopado al 5% con cobalto (2: ) sobre tres sustratos; 1. xido de aluminio (Al2O3) en su corte cristalogrfico a (a-zafiro), 2. xido de aluminio (Al2O3) en su corte cristalogrfico r (r-zafiro) y 3. Dixido de estao puro (2).

La metodologa experimental consisti en las siguientes tcnicas:

Erosin catdica (Sputtering) Deposicin de 2: sobre los sustratos. Microscopa Electrnica de Barrido (SEM) - Espesor de la pelcula.

Microscopa de Fuerza Atmica (AFM) - Rugosidad de la pelcula.

Anlisis Elemental por Energa Dispersa (EDS) - Composicin del sustrato y de la pelcula.

Difraccin de rayos X (XRD) - Fases cristalogrficas.

Sistema de medicin de Propiedades Fsicas (PPMS) - Propiedades Magnticas.

Finalmente se obtuvo que la pelcula de 2: / es la que presenta mayor magnetizacin de saturacin con un valor de 14.5 emu/g, con una magnetizacin por tomo de Cobalto result de 7.67 B.

ABSTRACT

This paper shows the results of experimental methodology of measuring the magnetization with applied magnetic fields parallel and perpendicular to the plane of thin films consisting of a diluted magnetic oxide (DMO), specifically in the doped tin dioxide 5% whit Cobalt 2: on three substrates; 1) Aluminum Oxide (23) as crystallographic a (a-sapphire) cut, 2) Aluminum Oxide (23) as crystallographic cut r (r-sapphire) and, 3) pure tin dioxide 2.

The experimental methodology consisted of the following techniques:

Sputtering - Deposition of 2: on the substrates. Scanning Electron Microscopy (SEM) - Film thickness.

Atomic Force Microscopy (AFM) Film roughness.

Elemental Analysis by Energy Dispersive (EDS) Substrate and film composition

X-ray diffraction (XRD) - Crystallographic phases.

Measurement System Physical Properties (PPMS) - Magnetic Properties.

Finally it was found that the film 2: / is the one with higher saturation magnetization with a value of 14.5 , with a magnetization per atom of cobalt was

7.67

2

1. INTRODUCCIN

El aumento de la aplicacin de la tecnologa en el mundo globalizado en el que vivimos ha

propiciado que las telecomunicaciones sean cada vez ms eficientes haciendo posible

compartir informacin en grandes cantidades y en tiempos mnimos. sta es la necesidad

principal que puede satisfacer la investigacin y desarrollo de nuevos materiales

caracterizados a nivel molecular. Productos cuya caracterstica principal sea la de facilitar

la comunicacin entre las personas mediante el incremento de su calidad.

Lo anterior ha dado lugar a un par de conceptos que hace algunos aos eran propios de la

ciencia ficcin, que sin embargo hoy en la actualidad son una realidad tangible, hablamos

de la Nanotecnologa y Nanociencia. La Nanotecnologa es el conjunto emergente de

tecnologas basadas en dispositivos, fenmenos y materiales en nanoescala [1], mientras

que la Nanociencia, se enfoca en el estudio de los objetos cuyo tamao es desde cientos a

dcimas de nanmetros.

Las reas de incursin de la Nanotecnologa son diversas, entre ellas la Biotecnologa,

Informtica, Energas Renovables y Alternativas, Mecnica, Cosmticos, ptica entre otros

con el propsito de satisfacer mltiples necesidades del ser humano.

Para el propsito ya mencionado, existen materiales con los que se pueden crear diversos

productos, dichos materiales son los xidos Magnticos Diluidos (OMD), que son

compuestos xidos combinados con algn otro elemento que sea metal de transicin 3d. A

la accin de combinar un xido con algn metal de transicin 3d se le conoce como dopar,

que es el proceso intencional de agregar impurezas en un semiconductor extremadamente

puro para aumentar sus propiedades magnticas y elctricas. Algunos de los xidos que

son con los que ms se ha trabajado son , el 2, y el 2, dopados con elementos

como el Cromo (Cr), Manganeso (Mn), Fierro (Fe), Cobalto (Co) y Nquel (Ni), etc.

3

Una de las aplicaciones importantes del 2 tiene lugar en la industria aeronutica, dadas

sus caractersticas. En los vidrios de los aviones se aplica un recubrimiento de dicho

material ya que evita que se empaen y dificulte la visin a los pilotos en climas de bajas

temperaturas a causa de la lluvia y nieve. El 2 es el compuesto con mayor conductividad

y por sus caractersticas fsicas y qumicas es el ms apropiado para la fabricacin de

componentes opto-electrnicos, sensores de gases y electrnica flexible y transparente.

Este dixido tiene la propiedad de ser diamagntico, es decir, que puede repeler los campos

magnticos de campos externos.

En el campo de la electrnica se ha logrado que los microprocesadores sean cada vez ms

pequeos y ms potentes, esto es consecuencia de la miniaturizacin de los transistores

referenciada en la Ley de Moore, en 1965, Gordon Moore (co-fundador en 1968 de la

compaa Intel) afirm que el nmero de transistores por centmetro cuadrado en un circuito

integrado se duplicaba cada ao y que la tendencia continuara durante las siguientes dos

dcadas [2].

Se encuentra an en fase de desarrollo un transistor diferente a los convencionales, el cual

se llama Spin-FET, que debe su funcionamiento no al flujo de electrones, si no al giro del

electrn, el cual es el responsable de generar un momento magntico para definir los

estados de encendido (on) y apagado (off) del dispositivo. Cabe mencionar que en la

actualidad no se produce en serie el dispositivo llamado Spin-FET, es decir que se cuenta

con los materiales propuestos ms no han sido aplicados para la fabricacin en serie.

El presente trabajo consiste en aplicar un campo magntico externo a pelculas de 2:

depositadas sobre sustratos de , y 2 puro, y medir su momento

magntico para comparar y apreciar cul de ellas es la que se distingue por ofrecer mayores

ventajas magnticas para su posterior aplicacin en la fabricacin del transistor Spin-FET.

4

1.1. JUSTIFICACIN

La justificacin se basa en el estudio de las propiedades magnticas del depsito de

pelculas de 2: sobre sustratos de , y 2 puro, lo cual

permitir una comparacin tomando en cuenta los esfuerzos inducidos respecto a su

anisotropa magneto cristalina para conocer cual ofrece mejores caractersticas que puedan

ser aplicadas en dispositivos electrnicos, como por ejemplo, el Spin-FET.

En el ao 2003 el doctor Ogale y su equipo de colaboradores present un trabajo de

investigacin llamado High Temperature Ferromagnetism with a Giant Magnetic Moment

in Transparent Co-doped SnO2- con 2: depositado en sustrato

obteniendo como resultado una magnetizacin por cada tomo de Cobalto de 7.5 0.5 B

(Magnetn Bohr).

Lo que se busca es encontrar las condiciones apropiadas para lograr la magnetizacin de

las pelculas delgadas de 2: sobre 23 ( ) lograda por el Dr. Ogale,

comparndola con las pelculas de 2: / y 2: /2 as mismo

determinar los factores para la reproducibilidad de las pelculas de 2: / a

gran escala y ser aplicadas en la fabricacin del Spin-FET.

5

1.2. HIPTESIS

Mediante esfuerzos inducidos por sustratos , y 2 en pelculas de

2: , ser posible modificar la direccin de spin de los iones de Co para estudiar la

evolucin de la magnetizacin.

1.3. OBJETIVO GENERAL

Comparar la magnetizacin de las pelculas de 2: sobre , y

2: medidas con el campo magntico aplicado paralelo y perpendicular al plano.

1.4. OBJETIVOS ESPECFICOS

Determinar las condiciones ptimas de crecimiento de pelculas de 2:

(velocidad de crecimiento a diferentes temperaturas, y menor rugosidad de la

pelcula en funcin de la temperatura)

Elaborar pelculas de 2: sobre un sustrato de , y

2 puro.

Caracterizar estructuralmente mediante Difraccin de rayos X (XRD) y

Microscopa de Fuerza Atmica (AFM) las pelculas obtenidas.

Realizar mediciones magnticas con el campo magntico del magnetmetro en

dos direcciones, paralelas al sustrato pero perpendiculares entre s.

6

2. FUNDAMENTOS TERICOS

2.1. ESPINTRNICA

Los aparatos electrnicos convencionales utilizan solamente la carga del electrn para

desempear la funcin por la cual fueron diseados. Actualmente es posible utilizar una

tecnologa experimental en la cual se utiliza el spin del electrn para crear dispositivos con

una alta eficiencia, incrementar su capacidad de almacenamiento y por supuesto, siendo

mucho ms rpida su velocidad de procesamiento.

Es una de las ramas de la electrnica, la spintrnica o espintrnica, que surge de la

integracin de la electrnica convencional y el magnetismo, para estudiar la relacin entre

la carga y el spin del electrn y la energa magntica que puede generar, y as dar pie al

diseo de nuevos productos.

En la spintrnica se aprovecha la energa magntica que se genera con el giro del electrn

y las propiedades especficas de los spines de los materiales semiconductores.

Cuando un electrn gira sobre su propio eje genera un momento angular del electrn, o

spin, y es capaz de manifestar una energa magntica que puede tomar dos valores,

positivo y negativo.

7

Ilustracin 1 - Origen de los dipolos magnticos: (a) El giro del electrn produce un campo magntico con direccin que depende del nmero cuntico ms, (b) Los electrnes crean un campo magntico alrededor del

tomo, al girar en su rbita alrededor del ncleo. [3] [Figura 19-1]

El momento magntico de un electrn basado en el giro es conocido tambin como el

Magnetn de Bohr (B), definido como:

Ecuacin 1 - Magnetn de Bohr

donde es la carga del electrn, la constante de Planck y es la masa del electrn. Es

a lo largo del eje de giro del electrn donde est alineado el momento magntico.

Se denomina spin de un electrn a un estado de energa magntica dbil, los valores que

puede tener corresponden a la mitad del valor de la constante de Planck dividida por dos

veces el valor de , con signo positivo o negativo. Cuando un campo magntico pasa sobre

un electrn, se ve obligado a cambiar su eje.

Aunque el espn del electrn est limitado a + o - , ciertas reglas se aplican al asignar

los electrones de diferentes giros para llenar un subnivel (orientaciones de un orbital).

=

4= 9.271024 2

8

2.2. XIDOS MAGNTICOS DILUIDOS. (OMD)

Algunos xidos poseen un valor alto en la banda prohibida, misma que se encuentra entre

la banda de valencia y la banda de conduccin. Cuando estos xidos son dopados con

metales de transicin 3d se crean materiales llamados xidos magnticos diluidos (OMD).

Ilustracin 2 - Tabla peridica de los elementos. Se resaltan los elementos que son metales de transicin 3d [4]

Una de las ventajas de un xido magntico diluido es que pueden conservar sus

propiedades magnticas debido a que su temperatura de Curie () sobrepasa la

temperatura ambiente. Debido a esto, son materiales apropiados para la fabricacin de

pelculas delgadas que sern utilizadas para la fabricacin de dispositivos espintrnicos,

como es el caso del Spin-FET.

9

Para dichos xidos le corresponde la frmula (1) y donde:

- es un catin no magntico.

- es un catin de metal de transicin 3d.

- oscila entre 0% y 10%

- vale 1, 2 o una fraccin racional.

Los xidos que pueden ser utilizados como material base son 2,2, , entre otros.

Por ejemplo, el dixido de estao dopado al 5% con cobalto se representa 0.950.052,

y en su frmula molecular se indica como 2: . Las principales caractersticas de los

OMD son:

Dopados con un metal de transicin 3d.

Alto valor en la banda prohibida.

Temperatura de Curie superior a la temperatura ambiente.

Es un semiconductor tipo .

Los OMD son materiales ferromagnticos con spines polarizados (tabla 1). A travs de su

aplicacin se da origen a la magnetoresistencia gigante. Los OMD tienen una caracterstica

muy particular, que es la de aprovechar la carga del electrn y su respectivo spin.

El ferromagnetismo con altas temperaturas en pelculas delgadas de (1)2 con

= , , , o es un efecto intrnseco. Los momentos en bajas concentraciones

se aproximan o superan los valores nicamente del espn, y no pueden ser explicados en

trminos de fases de impurezas secundarias [4].

10

Metal 3d 4s

Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni C

Tabla 1 - Giros de los electrones del nivel 3d en los metales de transicin, incluyendo flechas que indican la direccin de giro.

Todos los metales de transicin incluyendo los 3d pueden perder dos electrones de valencia

del subnivel S ms externo, adems de electrones retenidos dbilmente en el nivel de

energa ms bajo siguiente. Es as que un metal de transicin especfico pierde un nmero

variable de electrones para formar iones positivos con cargas diferentes.

El tipo de magnetismo (ferromagntico) que se presenta en el 2: consiste en la

alineacin de los momentos magnticos del material en una misma direccin de modo que

despus de retirar un campo magntico externo impuesto, prevalece una pequea

magnetizacin neta, llamada remanencia magntica.

11

Ilustracin 3 - rbol de familia magntica [5]

La causa del comportamiento ferromagntico son los niveles de energa no totalmente

ocupados en el nivel 3d del hierro, nquel y cobalto. En los materiales ferromagnticos, los

dipolos permanentes no apareados se alinean con facilidad con el campo magntico

impuesto debido a la interaccin de intercambio (ilustracin 4) o al refuerzo mutuo que

ejercen los dipolos; se obtienen grades magnetizaciones incluso con pequeos campos

magnticos que resultan en importantes susceptibilidades cercanas a 106 [6]

El ferromagnetismo en los xidos convencionales esta mediado por dos interacciones. La

primera es la interaccin de superintercambio (ilustracin 4) la cual consiste en el

acoplamiento magntico de los cationes magnticos a travs de un tomo de oxgeno

dando lugar a un acoplamiento generalmente antiferromagntico [7].

12

Ilustracin 4 - Interaccin de superintercambio entre dos iones

El otro mecanismo es la interaccin de doble intercambio en donde existe el intercambio de

un electrn entre dos cationes con diferente valencia a travs de un tomo de oxgeno

(ilustracin 4), el intercambio del electrn entre los cationes ocurre al mismo tiempo que los

cationes cambian su nmero de oxidacin en una unidad.

El modelo para lograr el orden ferromagntico en los OMD basados en un xido con valor

alto de brecha prohibida dopado con iones magnticos 3d, es el polarn magntico de

enlace o Bound Magnetic Polaron (BMP por sus siglas en ingls) [8].

Para que el ion magntico del metal de transicin 3d interacte con el centro se necesita

que estn muy cerca de la red cristalina, dichas regiones pueden ser de hasta un

nanmetro. El traslape de estas zonas es lo que produce un orden ferromagntico a largo

alcance (ilustracin 6).

Los iones magnticos interactan con las vacancias de oxgeno, pero se puede dar el caso

que algunos iones no estn ligados a ninguna vacancia. Los iones de Co que no interactan

con vacancias de oxgeno quedan como iones magnticos aislados y cuyo comportamiento

es semejante al de un material paramagntico (ilustracin 5).

13

Ilustracin 5 - Distribucin aleatoria de los iones magnticos 3d.

Ilustracin 6 - Formacin de los BMP, y la forma en que estos adoptan una misma orientacin magntica luego de un traslape. Los iones de Co aislados se comportan como elementos magnticos de un material

paramagntico. Nature Materials 4, 173 - 179 (2005).

En los OMD es importante mencionar qu sucede con la temperatura de Curie () para

demostrar que no se espera un orden ferromagnticos por debajo del lmite de percolacin

() a temperatura ambiente. Este lmite de percolacin corresponde a la cantidad de iones

magnticos mnima necesaria para que haya orden ferromagntico al menos en ciertas

zonas del material ya sea por la interaccin de doble intercambio o por la interaccin de

superintercambio, que son de corto alcance.

a) b)

Fig. 5a) Schematic representation of distribution of dopant ions in a dilute magnetic

semiconductor. b) The same, but with donor defects which create magnetic polarons

where the dopant ions are coupled ferromagnetically.

example, are only perceptible below about 10 K. The room-temperature susceptibility is

of order 10-3x. This is the behaviour expected for a dilute magnetic oxide, and indeed it is

exactly what is found in bulk crystalline materials and in well-crystallized, defect-free

thin films. There are numerous examples in the literature, for example Sati et al., 2006,

Pacuski et al., 2006 and Rao and Deepak, 2005, Chambers and Farrar 2003, Ney et al

2008

The conventional picture of magnetism in insulators or magnetic semiconductors

is at a loss to account for high-temperature ferromagnetism in dilute magnetic oxides. The Curie or Nel temperatures of oxides were plotted on a histogram in Fig. 3. None

exceeded the Nel point of aFe2O3, which is 960 K. The ordering temperatures in solid

solutions vary as x or as x1/2

, depending on the nature of the interactions (Coey et al

2005). No order is expected at room temperature when x < 10 %, or in insulators when x < xp. The magnetic behavior we would normally expect from the m-J paradigm is a superposition of Curie-law paramagnetism for isolated ions and Curie-Weiss behaviour

for the small, antiferromagnetically-coupled groups of two, three or more ions. Indeed,

this is what is found in well-crystallized, bulk material (Rao and Deepak, 2005). It therefore came as a surprise when, at the beginning of 2001, Matsumoto et al.

published their claim that anatase TiO2 doped with 7 % cobalt was ferromagnetically-

ordered at room temperature. There followed a deluge of similar reports on other

materials. The first samples were all thin films, but soon reports of high-temperature

ferromagnetism were appearing for nanoparticles and nanocrystalline material as well.

Table 2 lists some of these early reports. There are now well over 1000 publications on dilute ferromagnetic oxides, more than half of them on ZnO, and new ones appear every

week. Many of these are electronic structure calculations for dilute magnetic oxides, with

various defects, which are not the focus of this chapter.

The experimental results were astonishing for three reasons:

1) The magnetic order appears in oxide materials where the doping is far below xp. 2) The magnetic order is ferromagnetic, whereas the superexchange in oxides is usually antiferromagnetic

3) The films are ferromagnetic at room temperature and above, although no dilute

magnetic material had ever been found to be magnetically-ordered at room temperature.

14

Ilustracin 7 - Variacin de la temperatura de orden magntico en un xido magntico diluido con interacciones de superintercambio. La lnea punteada es la prediccin de la teora del campo medio de largo alcance interacciones, xp es el umbral de percolacin. (Cap. 19, Magnetism of Diluted xides, J.M.D. Coey.

School of Physics and CRANN, Trinity College, Dublin 2, Ireland)

Si la cantidad de iones es inferior al lmite de percolacin solamente hay cationes

aislantes y pequeos grupos de dos o tres cationes, sin embargo, al estar encima se

forman grandes grupos que abarcan la mayor parte de cationes magnticos. La interaccin

de intercambio solo afecta a cationes vecinos, no se puede dar un ordenamiento magntico

de largo alcance por debajo de , el cual es aproximadamente igual a 2

0 , donde 0 es

el nmero de coordinacin del catin. Dependiendo de la estructura, 0 puede valer entre

6 y 12 por lo que vara entre el 16 y 33 %. Los OMD tienen concentraciones de iones

magnticos muy por debajo del umbral de percolacin y por ende no deberan de tener un

orden magntico. Para el caso del 2 cuyo nmero de coordinacin para el es 6, el

lmite de percolacin es (2 6 ) 100 = 33.33%.

15

2.3. DISPOSITIVOS Y PRODUCTOS

Algunos de los dispositivos a los que se da origen con la Spintrnica son Diodos a-Spin,

Transistores a-Spin, Vlvulas de Spin, Uniones Tnel Magnticas, etc.

Ilustracin 8 - Algunos dispositivos de la espintrnica: a) diodo emisor de luz (spin-LED), b) Transistor Spin-FET. [9]

Una de las aplicaciones ms importantes se realiza en las cabezas de discos duros de las

computadoras por medio de las Memorias Magnticas RAM (No Voltiles). Las cuales

ofrecen la ventaja de conservar en todo momento la informacin, aun cuando se suspenda

el suministro de corriente elctrica o que el equipo est fuera de funcionamiento; por lo que

este es uno de los campos en donde ms tiene relevancia la Spintrnica.

Ilustracin 10 - Disco duro. Seagate Technology

Ilustracin 9 Memoria RAM Magntica chip ST-MRAM modelo EMD3D064M a 64Mbit. Everspin Technologies

16

2.4. TRANSISTOR MOSFET

El transistor MOSFET (Metal-Oxides-Semiconductor Field Effect Transistor, por sus siglas

en ingls) es un dispositivo electrnico semiconductor utilizado para producir una seal de

salida en respuesta a una seal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador,

conmutador o rectificador. Es el dispositivo ms utilizado en circuitos analgicos o digitales.

Ya desde 1930 se conoca el denominado transistor de

efecto campo o transistor unipolar, FET (Field Effect

Transistor) pero no se encontr una utilidad para l ni

se dispona de la tecnologa para fabricarlo

masivamente. No fue hasta 1947, en los laboratorios

Bell donde se invent el transistor bipolar,

prcticamente sustituyendo a la vlvula termoinica de

tres electrodos o trodo, por John Bardeen, Walter HouserBrattain y William Bradford

Shockley, quienes fueron galardonados posteriormente con el Premio Nobel de Fsica en

1956.

Ilustracin 12 - Funcionamiento de un transistor MOSFET: (a) Sin voltaje, (b) Con voltaje negativo, (c) Con voltaje positivo, (d) Con voltaje muy positivo

Ilustracin 11 - Dibujo esquemtico de un MOSFET

17

La construccin bsica del MOSFET consta de un bloque de material tipo p y est formado

a partir de una base de silicio a la que se le conoce como sustrato, y es la base donde se

construye el dispositivo. En algunos casos el sustrato se encuentra conectado internamente

con la conexin de la fuente. Sin embargo, muchos dispositivos discretos ofrecen una

terminal adicional etiquetada como SS, lo que da como resultado un dispositivo de cuatro

terminales como es el que aparece en la ilustracin 13. Las terminales de fuente y

compuesta estn conectadas por medio de contactos metlicos a las regiones dopadas

n unidas por un canal n como se muestra en la figura. La compuerta se encuentra tambin

conectada a una superficie de contacto metlico, pero permanece aislada del canal n por

medio de una capa muy delgada de dixido de silicio (2). El 2 es un tipo particular de

aislante conocido como dielctrico que genera campos elctricos opuestos (como se indica

por el prefijo di) dentro del dielctrico cuando este se expone a un campo aplicado

externamente. El hecho de que la capa 2 sea una capa aislante revela el siguiente

hecho: No existe conexin elctrica directa entre la terminal de la compuerta y el canal de

un MOSFET" [10]

Ilustracin 13 - MOSFET de tipo decremental de canal n.

18

2.5. NANOTRANSISTORES

La tecnologa basada en transistores de silicio est a punto de lograr su mnimo tamao

posible. Es debido a esto que la miniaturizacin de los componentes electrnicos resulta

ser un gran reto en la industria de los semiconductores, y en los ltimos 50 aos, la industria

microelectrnica ha impulsado a un transistor que tiene dimensiones entre las 10m a los

30 nm [11].

Bsicamente, es un nuevo transistor que tiene las mismas funciones que los MOSFET, con

la gran diferencia en su tamao y su eficiente desempeo.

Ilustracin 14 - a) Una micrografa electrnica de barrido de un probador de MOSFET (los contactos de metal de source, gate, y drain). La seccin transversal de la MOSFET (azul lnea discontinua) se muestra en la fig. (b). (b) Una micrografa electrnica de transmisin de un canal de un MOSFET muestra la longitud de gate que es nominalmente de 30 nm con un espesor de 1,3 nm de gate, que esta dopado con polisilicio de espesor de 95nm con una tira de CoSi2. Las paredes laterales son de 40nm y consisten en una pared gruesa de xido de 10 nm por debajo de otra de nitruro de silicio de 30 nm. Una vista ampliada de la zona de contorno rojo se muestra en la figura. (c). El xido que est en gate aparenta ser de unos 1,3 nm de espesor.

Como es evidente el aumento exponencial de transistores requiere un aumento en el

tamao del circuito o una disminucin en el tamao del propio dispositivo (de los cables y

dems) por lo que ah es donde entra en juego la nanotecnologa con la tendencia a obtener

incremento en la velocidad de procesamiento al orden de los Terahertz (1012 operaciones

por segundo).

19

2.6. TRANSISTOR SPIN-FET

Es bsicamente un nuevo tipo de transistor que tiene las mismas funciones de un transistor

convencional con la diferencia de que su funcionamiento est basado en la

magnetoresistencia, tiene mayor capacidad de funcionamiento, menores dimensiones

significativamente y requiere considerablemente menor cantidad de energa.

Comparado con el transistor convencional, en este nuevo dispositivo los dos estados

bsicos del spin son up y down. En la informtica, ofrece mayor almacenamiento de datos

en menor espacio. Los costos de los materiales requeridos para su produccin son

significativamente menores a los convencionales. Permiten la deteccin de hardware, como

las cabezas de discos duros y no requieren de amplificadores ruidosos para el

almacenamiento de datos. Una de las ventajas ms importantes que tiene es que se

aprovecha la rotacin de los electrones la cual es semipermanente. Dadas estas y otras

caractersticas el transistor spin-FET ha estado teniendo una importante aplicacin en el

desarrollo de M-RAMs (Memorias de Acceso Aleatorio Magnticas). Adems, en la

industria automotriz se han estado investigando y desarrollando nuevos tipos de sensores

que contribuyan a la fabricacin de vehculos ms ecolgicos, reduciendo sus impactos

atmosfricos.

Los materiales de los cuales deben estar hechos la fuente (source) y el colector (collector)

deben tener propiedades ferromagnticas.

Ilustracin 15 - Transistor de Efecto de Campo con spin polarizado a) El electrn sale desde la fuente hacia el colector y su spin puede ser controlado porque existe voltaje en la compuerta Vg>>0, b) cuando no se aplica un voltaje en la compuerta Vg=0 el spin del electrn no se puede controlar.

20

Funcionamiento:

1. El transistor spin-FET contiene una capa de material no magntico que permite la

transmisin y control de spines desde la fuente hasta el colector. El material del que

est formada dicha capa es de tipo semiconductor. Los elementos ms comunes

son el Silicio (Si), Germanio (Ge), Galio (Ga) y Arsnico (As) para los

semiconductores. Se aplica un material semiconductor en el transistor spin-FET

porque al estar en movimiento un electrn con spin definido dentro de un metal, el

electrn choca con los tomos metlicos cambiando su direccin y adems ello

implica un cierto tiempo y distancia, que con respecto a ellos, el spin del electrn

cambia. A la distancia promedio entre cada cambio de spin se le llama longitud de

difusin de spin. Los semiconductores favorecen a este fenmeno.

2. Los spines se transmiten por medio del efecto de acoplamiento spin orbita. Lo cual

bsicamente es la forma como se acoplan los momentos magnticos (spin) del

electrn al girar sobre su propio eje (Movimiento de rotacin) con el momento

magntico del electrn respecto al ncleo del tomo (Movimiento de translacin).

Ilustracin 16 - Movimientos de un electrn a) movimiento de rotacin b) movimiento de translacin

3. Para hacer posible el flujo de spines, se suministra un voltaje 0, que va desde

la fuente al colector. Dicho voltaje tiene un valor 0.5 < < 1, sin embargo

este dato puede ser variable dependiendo del tipo de semiconductor aplicado.

Cuando el voltaje es cero = 0, no se tiene control sobre los spines. Cuando es

mayor a cero, entonces es posible controlar los spines teniendo estos la misma

polarizacin. Esto es porque el voltaje aplicado al semiconductor produce que los

electrones que estn en la banda de valencia salten a la banda de conduccin, que

es la nica banda donde los electrones de un semiconductor pueden saltar de un

tomo a otro.

21

4. Un campo elctrico se aplica perpendicularmente al plano de la pelcula mediante

el depsito de un electrodo en la compuerta (gate) para reducir el efecto de

acoplamiento spin-rbita. Mediante el control de la tensin en la compuerta y la

polaridad, la corriente del colector puede ser modulada. La reduccin del efecto de

acoplamiento es de suma importancia ya que permite fcilmente que los spines de

los electrones cambien de orientacin cuando se aplica el voltaje (). Si la

interaccin spin-orbita tiene un valor muy elevado, entonces el voltaje () no podr

cambiar la direccin de los spines y el transistor spin permanecer en estado

encendido on y no ser posible redireccionar los spines para producir el estado

apagado off (ilustracin 15).

22

2.7. DIXIDO DE ESTAO (SnO2)

El nombre dado al dixido de estao 2, proviene del griego kassiteros que significa

casiterita. Es un mineral tpico de las pegmatitas, esto significa que se asocia a la fase tarda

de la cristalizacin grantica. En los granitos neumatolticos y pegmatitas, la casiterita

normalmente se encuentra acompaada de wolframita, scheelita y arsenopirita [12].

El 2 tiene una composicin de 21.4% de oxgeno y 77.6% de estao y el resto puede

ser de otros materiales. Es un material semiconductor de tipo n y es transparente. Tiene

una gran firmeza mecnica, estabilidad trmica y qumica. El 2 tiene una fase estable,

conocida como casiterita, que presenta una estructura cristalina tetragonal, tipo rutilo con

parmetros de red = 4.737 y = 3.186 . La densidad de este xido tiene un valor de

6.95

3 y su punto de fusin es de 1630C. A temperatura ambiente posee una energa

de formacin de 1.9103 y una capacidad calorfica = 52.59

Ilustracin 17 - Estructura de tetragonal tipo rutilo para el SnO2 (Imagen obtenida por medio de CaRIne Crystallography 3.1)

Ilustracin 18 - Fotografa del SnO2 (casiterita) [13]

23

Combinado con xidos de vanadio es usado como catalizador para la oxidacin de

compuestos aromticos. Es opacificador y colorante blanco en esmaltes cermicos. Se

aplica frecuentemente en esmaltes de azulejos de cermica sanitarios y de pared. Los hilos

de 2 se utilizan habitualmente como el principal elemento en los detectores de monxido

de carbono. Recubrimientos de este material pueden ser aplicados usando deposicin

qumica de vapor, la cual es la tcnica aplicada para botellas de vidrio con una capa de

2 que ayuda a adherir un revestimiento posterior como polietileno para el vidrio.

El 2 es un semiconductor con un ancho de brecha de energa, entre 3.6 y 3.8 ,

lo cual lo hace muy estable y presenta una combinacin adecuada de propiedades

mecnicas, qumicas, electrnicas y pticas, que permiten usarlo en un gran nmero de

aplicaciones como: sensores de gases nocivos (como CO, hidrocarburos y cido sulfrico),

electrodos transparentes para celdas solares (foto sensor), en la preparacin de cristales

lquidos, nodos para bateras de litio, transistores, recubrimientos anticorrosivos, catlisis

para conversin de etanol a 2 , varistores para proteger de sobretensiones a equipos

elctricos y electrnicos [14], [15], [16], [17], [18], [19].

Para modificar ciertas propiedades del 2 es conveniente hacer un dopaje del mismo, ya

sea con cualquier ion de algn metal de transicin. El dopaje es el proceso deliberada de

adicionar contaminaciones en un semiconductor considerablemente puro. El 2 es un

material diamagntico, es decir, que al actuar sobre cualquier tomo, un campo magntico

induce un dipolo magntico sobre todo el tomo influyendo sobre el momento magntico

causado por los electrones en sus rbitas. Estos dipolos se oponen al campo magntico,

haciendo que la magnetizacin sea menor que cero. Este comportamiento llamado

magnetismo, aporta una permeabilidad relativa de aproximadamente 0.99995 (o una

susceptibilidad negativa de aproximadamente 106, obsrvese el signo negativo).

Materiales como el Cobre, la Plata, el Silicio, el Oro y la Almina (23) son diamagnticos

a la temperatura ambiente. Los superconductores son diamagnticos perfectos ( = 1);

a temperaturas ms elevadas o en presencia de un campo magntico, pierden su

superconductividad. En un material diamagntico la direccin de la magnetizacin (M) es

opuesta a la direccin del campo aplicado (H) [6].

24

En el caso del 2 cuando es dopado con iones de algn metal de transicin o materiales

no magnticos resulta de gran inters las aplicaciones que puede tener en la spintrnica.

Hay trabajos de investigacin referentes al momento magntico gigante en pelculas

delgadas de 2 dopado con cobalto (2: ) que han dado pie a la investigacin del

2 dopado con iones de metales de transicin, tal es el caso de Manganeso (Mn) y Fierro

(Fe). El dopaje de los xidos 12 , = 0.05 ( = , , ) se realiza a partir de

cantidades estequiomtricas de alta pureza en 2 y polvos de Manganeso (Mn), Fierro

(Fe) y Cobalto (Co). Se puede determinar el lmite de solubilidad del 2 dopado con

Cobalto considerando 12 con = 0.005 0.05. Los polvos del xido se muelen en

isopropanol durante una hora, despus de prensa en pellets durante 24 horas a 1150C.

Posteriormente por medio de diferentes tcnicas escaneo o de difraccin se puede realizar

un anlisis de fase y anlisis de composicin [20].

25

2.8. TEMPERATURA DE CURIE

Cuando incrementa la temperatura de un material ferromagntico o ferrimagntico, la

energa trmica adicional incrementa la movilidad de los dominios, facilitndoles su

alineacin, pero tambin impidiendo que se conserven alineados cuando se elimina el

campo. En consecuencia tanto la magnetizacin de saturacin como la remanencia y el

campo coercitivo disminuyen todos a temperaturas elevadas (ilustracin 19).

Ilustracin 19 - Efecto de la temperatura sobre (a) el ciclo de histresis y (b) la remanencia. El comportamiento ferromagntico desaparece por encima de la Temperatura de Curie. Imagen tomada de [21] p. 861

Si la temperatura excede la temperatura de Curie (), ya no se presenta comportamiento

ferromagntico o ferrimagntico. En cambio, el material se comporta como paramagntico.

La Temperatura de Curie (tabla 2), que dependen del material, puede modificarse utilizando

elementos de aleacin.

Los dipolos pueden de todas maneras

alinearse en un campo magntico por

encima de la Temperatura de Curie, pero

se alinean de manera aleatoria al eliminar

el campo magntico [21].

MATERIAL TEMPERATURA DE CURIE (C)

TEMPERATURA DE CURIE (K)

16 289.15 312 585,15

358 631,15

- 469 742,15 747 1020,15 771 1044,15 780 1053,15 855 1128,15 900 1173,15 1117 1390,15

Tabla 2 - Temperatura de Curie para materiales seleccionados

26

2.9. FERROMAGNETISMO EN LOS OMD.

No existe un material que sea no magntico. Todos los materiales responden a los campos

magnticos. Cuando un material se le aplica un campo magntico, se observan varios tipos

de comportamiento (ilustracin 20).

Ilustracin 20 - Efecto del material del ncleo sobre la densidad de flujo en los materiales diamagnticos el momento magntico se opone a campo. Para una misma intensidad de campo se presentan momentos progresivamente ms elevados en los materiales paramagnticos, ferrimagnticos y ferromagnticos.

La causa del comportamiento ferromagntico son los niveles de energa no totalmente

ocupados en el nivel 3d del Fierro, Nquel y Cobalto. En algunos otros materiales,

incluyendo el Gadolinio (Gd), se presenta un comportamiento similar. En los materiales

ferromagnticos, los dipolos permanentes no apareados se alinean con facilidad con el

campo magntico impuesto debido a la interaccin de intercambio o al refuerzo mutuo que

ejercen los dipolos. Se obtienen grandes magnetizaciones incluso con pequeos campos

magnticos, que resultan en importantes susceptibilidades cercanas a 106. De manera

parecida a los materiales ferroelctricos, la susceptibilidad de los materiales

ferromagnticos depende de la intensidad del campo magntico aplicado. Esto es similar al

comportamiento mecnico de los elastmeros cuyo modelo de elasticidad depende del nivel

27

de la deformacin. Por encima de la Temperatura de Curie, los materiales ferromagnticos

se comportan como paramagnticos y su susceptibilidad est dada por la siguiente

ecuacin conocida como la ley de Curie-Weiss.

Ecuacin 2 - Ecuacin de Curie-Weiss

En esta ecuacin, es una constante que depende del material, es la Temperatura de

Curie y es la temperatura por encima de . Una ecuacin esencialmente similar describe

el cambio en permisibilidad dielctrica por encima de la Temperatura de Curie de los

materiales ferroelctricos. Igual que en el caso de los materiales ferroelctricos los

materiales ferromagnticos presentan una formacin de dominios de ciclo de histresis y

de dominios magnticos [6].

En este punto es importante sealar que dependiendo del dopaje, no toda la matriz del

xido es ferromagntico, solamente son magnticas las zonas ocupadas por los polarones

magnticos de enlace (BMP), la banda de impurezas donde se da el ordenamiento

magntico solo existe fsicamente en estas zonas.

Ilustracin 21 - Los electrones que se encuentran fuera del polarn tienen sus spines orientados al azar, mientras que los que estn dentro de la zona magntica tienen sus spines completamente orientados [22].

=

( )

28

En la ilustracin 21 se muestra cmo interactan los iones magnticos con las vacancias

de oxgeno y lo que ocurre cuando los iones no estn ligados a ninguna vacancia. Los iones

de Co que no interactan con vacancias de oxgeno quedan como iones magnticos

aislados y cuyo comportamiento es semejante al de un material paramagntico.

Muchos han sido los sistemas estudiados para intentar entender el origen del

ferromagnetismo en los xidos magnticos diluidos OMD, ya que dependiendo del tipo de

dopante, la cantidad de vacancias de oxgeno, defectos estructurales como uniones de

grano, defectos de interface (pelculas), carcter aislante o conductor, existen diferentes

modelos basados en la formacin de bandas de impurezas o bien en el desdoblamiento de

spin en la banda de conduccin.

Entre los xidos ms estudiados destacan el , 2 y 2. En particular fue una

sorpresa en el 2001 la observacin experimental de ferromagnetismo (FM) a temperatura

ambiente con el 2: que fue el primer reporte experimental donde se presenta orden

ferromagntico. Despus de la prediccin terica hecha por Dietl [7] y Ohno [23] en donde

+: debera presentar orden ferromagntico. Una importante cantidad de

publicaciones ha demostrado la existencia de ferromagnetismo a temperatura ambiente,

pero tambin hay resultados donde no se observa ninguna seal magntica u otros donde

el magnetismo no depende del dopante 3d.

Los resultados de estos experimentos son relevantes debido a tres razones:

El orden magntico se manifiesta a pesar de que se usa una cantidad de dopantes

menor al lmite de percolacin.

El orden magntico que se presenta es ferromagntico, a pesar de que en los xidos

la interaccin que se presenta es la interaccin de superintercambio o la de doble

intercambio produciendo antiferromagnetismo o ferrimagnetismo.

Las sustancias son ferromagnticas a temperatura ambiente y superiores.

29

En muchos casos en los xidos magnticos diluidos se han encontrado momentos

magnticos por ion dopante mucho ms grandes que el momento terico asociado a iones

magnticos por la pura contribucin del spin, resultados remarcables se han reportado para

el 2: en forma de pelculas epitaxiadas sobre y sintetizadas por

pulverizacin laser [24]. Este resultado consiste en un momento magntico gigante de

7.5 0.5 adems de una superior a los 650 , propiedades que hacen

de este material un candidato importante para aplicaciones en espintrnica combinada con

optoelectrnica debido al valor del gap del 2.

30

2.10. ANISOTROPA MAGNETO CRISTALINA EN LOS OMD

Aun asumiendo que el polarn magntico de enlace o Bound Magnetic Polaron (BMP por

sus siglas en ingls) [8] sea el patrn adecuado para representar el orden ferromagntico

en los OMD de este tipo, incluso quedan numerosas interrogaciones a responder en cuanto

al comportamiento magntico. Una de estas propiedades es la anisotropa magneto

cristalina, que aparentemente predomina respecto a la anisotropa de forma, que en las

pelculas delgadas es muy importante, ya que el espesor tiene una magnitud nanomtrica

comparado con las dimensiones laterales.

La anisotropa magneto cristalina es una propiedad que poseen los materiales capaz de

forzar a que el eje de fcil magnetizacin de las estructura cristalina se pueda alinear

respecto al sustrato en donde crecer la pelcula ya sea de modo paralelo o perpendicular,

dependiendo que orientacin le sea ms fcil en el proceso de magnetizacin.

La posicin se determina en funcin de los parmetros de red que hay que moverse en

cada una de las coordenadas , , ; para pasar del origen hasta el punto en cuestin.

(Sistema de coordenadas incrementales mtodo grfico del polgono).

Las coordenadas de posicin se expresan como 3 distancias, separando cada valor con

comas y entre parntesis. Ejemplo: (1, 0, 1). Las coordenadas , , pueden tener valores

fraccionarios.

Ilustracin 22 - Posiciones atmicas enteras y fraccionarias

31

En la ilustracin 22 se muestra un resultado tpico para pelculas de 2 dopadas con Fe

(a) y con Co (b), en ambas se aprecia que la magnetizacin de estas medida en direccin

perpendicular a la superficie es mucho mayor que la magnetizacin medida en una

direccin paralela a la superficie. Sin embargo la forma de las curvas obtenidas es la misma

y se ajusta con la ecuacin = tanh /, donde 0 es la magnetizacin de

saturacin y es el campo de coercitividad aparente. En una pelcula de material

magntico las mediciones a lo largo de ambas direcciones (paralela y perpendicular ala

superficie) deben converger para valores altos de campos magnticos. Esto mismo ocurre

para cristales de Fe, Co o Ni, de donde se identifica el eje de fcil magnetizacin. Para los

OMD, parece no existir un eje de fcil magnetizacin bien definido, y definitivamente la

anisotropa magneto cristalina en estos materiales no se rige de la misma forma que en los

xidos concentrados o en aleaciones magnticas.

Ilustracin 23 - Curvas de histresis de pelculas 2 dopadas con Fe (panel superior) y Co (panel inferior). En ambas paneles se muestran mediciones con el campo magntico aplicado paralelo (crculos vacos ) y

perpendicular (crculos slidos ) a la superficie. La magnetizacin es mayor cuando el campo se aplica perpendicular al plano

32

Direcciones cristalogrficas.

Los ndices de las direcciones cristalogrficas son los componentes del vector direccin

descompuestos sobre cada eje de coordenadas y reducidos a mnimos enteros. Se

representan sin comas y entre corchetes.

Las coordenadas en , , pueden tener valores fraccionarios pero tendrn finalmente que

convertirse a enteros multiplicndose por un nmero que as lo permita.

Un vector puede tener su inicio en una determinada direccin cristalogrfica y su final en el

origen del sistema. Pero para este caso se multiplica por -1 los datos de la direccin de

donde parte el vector, siendo el resultado la direccin cristalogrfica final.

Procedimiento:

1. En el origen de las coordenadas se trata un vector de longitud conveniente.

2. Se determina la longitud del vector proyeccin en cada uno de los 3 ejes en funcin

de las dimensiones de la celda unitaria.

3. Estos 3 nmeros se dividen multiplican por un factor comn para reducirlos al valor

entero mnimo.

4. Los 3 ndices se encierran entre corchetes sin comas, los cuales corresponden a los

ejes , , . (Sistema de coordenadas absolutas).

Ilustracin 24 - Direcciones cristalogrficas con origen en 0 y distinto de 0.

-1 por (1, 1, 0) = [-1 1 0] = [ 1 1 0].

33

Planos Cristalogrficos.

Para identificar los planos cristalogrficos se utilizan los ndices de Miller, que se definen

como los recprocos de las intersecciones del plano con los ejes coordenados.

Procedimiento:

1. Seleccionar un plano que no pase por el origen del sistema (0, 0, 0).

2. Determinar las intersecciones del plano en base a los ejes , , cristalogrficas,

las cuales pueden ser fraccionarias.

3. Definir los recprocos de estas intersecciones.

4. Despejar fracciones y determinar el conjunto de mnimos enteros.

5. Los 3 ndices se encierran entre corchetes sin comas.

En caso de que un plano cristalogrfico pase por el origen (0, 0, 0), se procede de la

siguiente forma:

1. Se desplaza el sistema de coordenadas de modo que el plano cristalogrfico, no pase

por el origen (0, 0, 0), hacia cualquier lado.

2. Se aplica el procedimiento antes descrito para los ndices de Miller.

Ilustracin 25 - Plano [100]

Tabla 3 - ndices de Miller [100]

X Y Z

Interseccin 1

Recprocos 1/1 1/ 1/

ndices de Miller [1 0 0]

Tabla 4 - ndices de Miller [632]

34

Ilustracin 26 - Plano [632]

Ilustracin 27 - Cuando el plano pasa y no pasa por el origen.

Ilustracin 28 Curvas de magnetizacin para cristales simples de Fe (a) y Ni (b) (Graham & Cullity, 2009)

Debido a que el campo aplicado debe hacer el trabajo contra la fuerza de anisotropa para

girar el vector de magnetizacin de distancia desde una direccin fcil, debe haber energa

almacenada en cualquier cristal en donde puntos en una direccin no fcil. Esto se

conoce como la energa de anisotropa cristalina [25].

X Y Z

Interseccin 1/3 2/3 1

Recprocos 11/3 12/3 1/1

Multiplicar por 2 3 3/2 1

ndices de Miller [6 3 2]

Tabla 5 - ndices de Miller [1 1 -0]

X Y Z

Interseccin 1 -1

Recprocos 1/1 1/-1 1/

ndices de Miller [1 0]

35

El fsico ruso Akulov mostr en 1929 que se puede expresar en trminos de una expansin

de la serie de los cosenos directores de la Sra. respecto a los ejes de cristal. En un cbico

cristal, la Magnetizacin de saturacin permite que los Angulo a, b, c sean alineados con

los ejes del cristal, y permite que 1,2,3 sean los cosenos de estos ngulos, que se

denominan cosenos de direccin. Entonces:

Ecuacin 3 - Energa de anisotropa cristalina. (Cullity, B., & Graham, C. (2009). Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley.p 201 Ec.7.1)

Donde 0, 1, 2 son constantes para un material particular a una temperatura

determinada y se expresan en 3

(CGS) o 3

(SI).

Las potencias ms altas en general, no son necesarias, y algunas ocasiones 2 es tan

pequeo que el trmino implica que puede ser descuidado. El primer trmino,0, es

independiente del ngulo y por lo general se ignora, ya que normalmente slo estamos

interesados en el cambio en la energa cuando el vector de la gira de una direccin a

otra. En la tabla 6 se muestra el valor de cuando el vector se encuentra en una

direccin particular [ ] [25].

Tabla 6 - Energa de anisotropa cristalina para varias direcciones en un cristal cbico. (Cullity, B., & Graham, C. (2009). Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley. pp 201 Table 7.1)

= 0 + 1(122

2+223

2+321

2) + 2(122

232) +

36

Tabla 7 - Directions of Easy, Medium, and Hard Magnetization in a Cubic Crystal. . (Cullity, B., & Graham, C. (2009). Introduction to Magnetics Materials. Canada: Wiley. pp.. 202 Table 7.2)

Cuando 2 es cero, la direccin de fcil magnetizacin es determinada por el signo de 1.

Si 1 es positivo, entonces 100 < 110 < 111 y 100 es la direccin fcil, porqu es

mnimo cuando est en esa direccin. As, el Hierro y las ferritas cbicas contienen

Cobalto que tienen valores positivos de 1. Si 1 es negativo, 111 < 110 < 100, y 111

es la direccin fcil. Si 1 es negativo para el Nquel y todas las ferritas cbicas entonces

significan que contiene poco o nada de Cobalto. Cuando 2 no es cero, la direccin fcil

depende de los valores de ambos 1 y 2. LA forma en que los valores de stas dos

constantes determinan las direcciones fcil, media y difcil magnetizacin son mostradas en

la tabla 7 [25].

37

2.1. PELCULAS DELGADAS, SNTESIS, DEPOSICIN,

DISLOCACIN Y CARACTERIZACIN.

2.11.1. PELCULAS DELGADAS

Dentro del conjunto de estructuras nano mtricas que se elaboran, aquellas que son

denominadas Pelculas Delgadas, son de particular inters para la investigacin y desarrollo

del presente trabajo. Este tipo de estructura pose una forma de lmina con espesores no

mayores a 100 nm las cuales tienen aplicacin principalmente en la electrnica. Sus

propiedades pticas, mecnicas, electrnicas y magnticas, entre otras, dependen en gran

medida de su composicin qumica, sustrato donde son situadas y condiciones de

procesamiento para su obtencin.

Ilustracin 29 - Imgenes HRTEM de media y alta magnificacin, obtenidas con pelcula delgada de Cu3BiS3. b. Difractograma (Univ. Sci. 2014, Vol. 19 (2): 99-105doi: 10.11144/Javeriana.SC19-2.ehef)

En lo referente al crecimiento epitaxial de las pelculas delgadas, los factores principales

que ms influyen son: tipo de materiales, presencia del dopante, temperatura del sustrato,

tcnica aplicada y condiciones de operacin. Las caractersticas principales que debe reunir

una pelcula delgada para que sea apta en su respectiva aplicacin son: uniformidad,

continuidad, baja rugosidad, adherencia al sustrato y un espesor no mayor a 100 nm.

38

2.11.2. SNTESIS

Para el proceso de sntesis de los xidos (en nuestro caso el 2: ) se debe garantizar

la uniformidad de la distribucin dimensional de partculas y la finura de los polvos con los

que se har nuestro target, para lo cual utilizamos el mtodo fsico de la molienda, donde

nuestro compuesto de partculas del orden de los milmetros obtiene partculas de menor

tamao del orden de los nanmetros o micrmetros.

2.11.3. DEPOSICIN

Existes diversos tipos de deposicin y se dividen en mtodos fsicos, mtodos fsico-

qumicos, mtodos qumicos en fase gaseosa y mtodos fsicos en fase lquida.

Ilustracin 30 - Clasificacin de tcnicas de deposicin

Para el estudio que desarrollamos se utiliz el proceso de deposicin fsico-qumico

Sputtering o erosin catdica para depositar las pelculas delgadas de dixido de estao

dopado con cobalto sobre los sustratos de 23 (r-cut y a-cut), o lo que es lo mismo, r-

zafiro y a-zafiro.

Tcnicas de deposicin

Mtodos Fsicos-Qumicos

Mtodos qumicos en fase gaseosa

Deposicin qumica en fase vapor

CVD

Epitaxia en fase vapor

VPE

Implantacin inica

Mtodos fsicos en fase lquida

Tcnicas mecnicas

Epitaxia en fase

lquida LPE

Electro

deposicin

SputteringProcesos

de plasma

Procesos trmicos

de formacin

Mtodos fsicos

Evaporacin

Epitaxia de haces

moleculares (MBE)

39

El proceso de erosin catdica o Sputtering es un proceso de deposicin en el que se

produce la vaporizacin de los tomos del target slido mediante un bombardeo de ste

con partculas atmicas altamente energticas, usualmente iones que son generados por

el impacto de los electrones energticos con los tomos del gas de la atmsfera dentro de

la cmara del Sputtering, as es como adquieren la energa suficiente para desprenderse

de la superficie del target para ser depositados del sustrato.

Ilustracin 31 - .(M.S. Raven. Review: Radio Frequency Sputtering and the Deposition of high Temperature Superconductors. J. Mat. Sci.:Mat. In Elec, 5,129-146(1994).)

40

2.11.4. DISLOCACIN

Las dislocaciones son imperfecciones lineales producidas en las pelculas, lo cual significa

que hay una falta de tomos o iones en alguna de las filas de dicha estructura en un material

cristalino. Conforme la pelcula aumenta en su espesor, se reducen las dislocaciones y el

material se relaja lo que contribuye a hacer la deposicin, para el presente caso del dixido

de estao dopado con cobalto (2: ) sin esfuerzos inducidos en el sustrato. La

velocidad de la dislocacin es del orden de decenas de nm/s y su propagacin se da en

forma de onda, en algunas literaturas se describe como Movimiento de Oruga. Respecto

al tipo de sustrato, si hay dislocacin, sin embargo es tan pequea que no es significativa

para el crecimiento de las pelculas.

Ilustracin 32 - (a) Cuando se aplica un esfuerzo a la dislocacin en (a), los tomos se desplazan y hacen que la dislocacin se mueva un vector de Burgers en la direccin de deslizamiento (b). El movimiento continuo de

la dislocacin crea al final un escaln (c) y el cristal queda deformado. (d) El movimiento de una oruga es parecido al de una dislocacin. (D. R. Askeland y P. P. Phul, Materiales magnticos, de Ciencia e

ingeniera de los materiales, 2004, pp. 142 fig 4-8).

41

Ilustracin 33 - (a) Imagen TEM de corte seccional de pelcula crecida de 2 / mostrndose una fuerte dislocacin (TDs) formndose en la interface y se propaga a travs de la capa. La expansin de la

regin se muestra fuera de la lnea roja. (b) demostrando la altsima densidad de dislocaciones en la regin de menos de 110 nm desde la interfaz. (c) Perfil correspondiente a la densidad de dislocaciones frente a la

profundidad (distancia de la interfaz). Como la concentracin de dislocaciones es ms alta cerca de la interfaz, hay un mayor grado de error en las densidades de dislocaciones medidas. La curva slida representa el ajuste

exponencial de los puntos de los datos [26].

42

2.11.5. CARACTERIZACIN

Microscopa Electrnica de Barrido (SEM)

El microscopio electrnico de barrido, es un instrumento que permite la observacin y

caracterizacin superficial de materiales inorgnicos y orgnicos, entregando informacin

morfolgica del material analizado. A partir de l se producen distintos tipos de seal que

se generan desde la muestra y se utilizan para examinar muchas de sus caractersticas.

Con l se pueden realizar estudios de los aspectos morfolgicos de zonas microscpicas

de los distintos materiales con los que trabajan los investigadores de la comunidad cientfica

y las empresas privadas, adems del procesamiento y anlisis de las imgenes obtenidas.

Ilustracin 34 - Microscopio Electrnico de Barrido de Emisin de Campo

43

El microscopio electrnico de barrido puede estar equipado con diversos detectores, entre

los que se pueden mencionar: un detector de electrones secundarios para obtener

imgenes de alta resolucin SEI (Secundary Electron Image), un detector de electrones

retro dispersados que permite la obtencin de imgenes de composicin y topografa de la

superficie BEI (Back scattered Electron Image), y un detector de energa dispersiva EDS

(Energy Dispersive Spectrometer) permite colectar los Rayos X generados por la muestra

y realizar diversos anlisis e imgenes de distribucin de elementos en superficies pulidas

[27].

Ilustracin 35 - Partes del Microscopio electrnico de barrido

44

Sistema de Microanlisis De Energa Dispersiva de Rayos X (EDS o EDX)

El equipo de Anlisis Elemental por Energa Dispersa proporciona informacin acerca de la

composicin qumica de las partculas ya que cuando la muestra es irradiada con un haz

de electrones se generan rayos X que pueden ser detectados. El espectro de EDX se

obtiene tras recoger los fotones emitidos por la muestra durante un determinado periodo de

tiempo (minutos) y permite identificar y cuantificar los diferentes elementos presentes en el

material. Esta tcnica se emplea acoplada a microscopios electrnicos de transmisin o de

barrido y a microscopio de rayos X.

Ilustracin 36 - Equipo de Anlisis Elemental por Energa Dispersa. El Nova NanoSEM200 est acoplado con un Sistema de Microanlisis Marca Oxford Modelo INCA X-Sight [28].

Ilustracin 37 - - Imagen obtenida en el equipo EDS

45

Microscopia de Fuerza Atmica (AFM)

El Microscopio de Fuerza Atmica (AFM) es un instrumento mecano-ptico capaz de

detectar fuerzas del orden de los nanonewtons. Al analizar una muestra, es capaz de

registrar continuamente la altura sobre la superficie de una sonda o punta cristalina de forma

piramidal. La sonda va acoplada a un listn microscpico, muy sensible al efecto de las

fuerzas, de slo unos 200 m de longitud.

Ilustracin 38 - Microscopio