Trabajo de grado - Maestría
Structural and electrical properties of Co-doped ZnO prepared by DC-Magnetron co-sputtering for spintronic applications
Fecha
2021-06-09Registro en:
Universidad Nacional de Colombia
Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombia
Autor
Galindez Ruales, Edgar Felipe
Institución
Resumen
In this work, the e ect of Cobalt in ZnO thin lms was studied. The samples were synthesized
by DC-Magnetron co-sputtering over di erent substrates (Glass, Al2O3, ITO, Si,
and Au). Structural and electrical properties were studied through several characterization
techniques, correlating the synthesis parameters and varying them until an optimal semiconductor
matrix was achieved. Looking for the best con guration for a spintronic device, these
and other characteristics of the samples were studied using diverse techniques, such as scanning
electron microscopy, Auger spectroscopy, X-ray di raction, atomic force microscopy,
energy-dispersive X-ray spectroscopy, ultraviolet-visible-near-infrared spectroscopy, electric
measurements (Resistance and current-voltage curves) and magnetization measurements.
Additionally, a computational study of the oxygen vacancies and cobalt role in the roomferromagnetism
was performed. This approach was based on the density functional theory,
where di erent con gurations of impurities were analyzed. A room temperature ferromagnetic
stability was predicted in the ZnxCo1−xOy structure, also a decrease in the magnetic
moment was founded when the oxygen vacancies increased. Experimentally, the Cobalt concentration
in the samples was determined and secondary phases of Cobalt were not found in
concentrations below 15%, and the d-d bond was con rmed by optical measurements. The
thickness of the thin lms was between 50 and 190 nm, with Zinc:Oxygen in a 2:1 proportion.
On the surface of the samples, the roughness increased with the cobalt concentration,
and the samples with 15% presented a super cial magnetic orientation. The application
as non-volatile memory was studied, current-voltage measurements showed the resistive
switching phenomenon reported for the pure semiconductor, with a strong correlation with
the Cobalt. The switching was performed with di erent limit currents and, the reliability
and durability of the device were tested. The samples' magnetization exhibited hysteresis
loops at room temperature when the samples have a considerable crystallinity. The magnetic
behavior at room temperature along with the interesting electric properties brings the
Co : ZnO thin lms prepared by DC-magnetron co-sputtering as a possible spintronic material
for electronic applications. (Text taken from source) En este trabajo se estudió el efecto del cobalto en películas delgadas de ZnO. Las muestras se
sintetizaron mediante pulverización catódica sobre diferentes sustratos (vidrio, Al2O3, ITO,
Si y Au). Las propiedades estructurales y eléctricas fueron estudiadas, correlacionando los
parámetros de síntesis y variándolos hasta lograr un semiconductor óptimo. Con la aplicación
espintrónica en mente, se estudiaron estas y otras características de las muestras utilizando
diversas técnicas, como microscopía electrónica de barrido, espectroscopía Auger, difracción
de rayos X, microscopía de fuerza atómica, espectroscopía de rayos X de energía dispersiva,
foto-espectroscopía, medidas eléctricas (resistencia y curvas de corriente-voltaje) y medidas
de magnetización. Además, se realizó un estudio computacional sobre el papel de las vacancias de oxígeno y el cobalto en el ferromagnetismo a temperatura ambiente. Este enfoque se
basó en la teoría funcional de la densidad, donde se analizaron diferentes configuraciones de
impurezas y se predijo una estabilidad ferromagnética a temperatura ambiente. Experimentalmente, se determinó la concentración de cobalto en las muestras y no se encontraron fases
secundarias en concentraciones por debajo del 15 %. La presencia del enlace d-d se confirmó
mediante mediciones ópticas de las películas delgadas, cuyo espesor varió entre 50 y 190 nm,
con una proporción entre Zinc: Oxígeno de 2: 1. En la superficie de las muestras, la rugosidad aumentó con la concentración de cobalto, y las muestras con sim15 % presentaron una
orientación magnética superficial. Las medidas de corriente-voltaje mostraron el fenómeno
de conmutación resistiva reportado para el semiconductor puro, con una fuerte correlación
con el cobalto. La conmutación se realizó con diferentes corrientes límite, donde la confiabilidad y durabilidad del dispositivo fue comprobada. La magnetización de las muestras
exhibió histéresis a temperatura ambiente en las muestras con cristalinidad considerable. El
comportamiento magnético a temperatura ambiente junto con las interesantes propiedades
eléctricas hace que las películas delgadas de Co : ZnO preparadas mediante pulverización
catódica sean un posible material con aplicaciones en la espintrónica. (Texto tomado de la fuente)