Onderzoek van de structurele, chemische en magnetische toestand van het metaal/oxide grensvlak in composiet multiferroica

Het metaal/oxide grensvlak is een fundamenteel onderdeel van veel apparaten zoals magnetische sensoren, piëzo-elektrische transducers en condensatoren. De elektrische eigenschappen van metaal/oxide heterostructuren worden bepaald door het type contact gevormd aan het grensvlak, d.i. een Schottky of Ohmisch contact. Door het steeds kleiner worden van de apparaten neemt het belang van de grensvlakken toe, als gevolg van de toename in de oppervlakte-volumeverhouding. Het metaal/oxide grensvlak is ook een sleutelcomponent in composiet multiferroica bestaande uit ferromagnetische metalen en ferro-elektrische oxiden. In recent onderzoek naar multifunctionele materialen verwerven de composiet multiferroica veel belangstelling. Niet alleen bezitten deze materialen twee of meer ferroïsche eigenschappen gelijktijdig (zoals ferro-elektriciteit, ferromagnetisme), maar er kan bovendien ook een koppeling ontstaan tussen deze ferroïsche fenomenen, de zogenaamde magneto-elektrische (ME) koppeling. Een dergelijke koppeling maakt het mogelijk de magnetische eigenschappen te controleren via een elektrisch veld en de elektrische eigenschappen via een magnetisch veld. Aangezien de koppeling ontstaat tussen de twee componenten aan het grensvlak, worden de composieteigenschappen sterk beïnvloed door de grensvlakkarakteristieken. Om composiet multiferroica te realiseren, met zowel een aanzienlijke ME koppeling als een structureel stabiel grensvlak voor toepassingen in elektronische applicaties, is het belangrijk om metaal/oxide grensvlakken te begrijpen en het effect van een elektrisch veld op de structuur en eigenschappen van het grensvlak te identificeren.

Het doel van dit proefschrift is de chemie en magnetische spin structuur van FM-metaal/FE-oxide (multiferroïsche composiet) grensvlakken te bestuderen en het effect van een aangelegd elektrisch veld op hun structurele, chemische en magnetische toestand te onderzoeken. Hiervoor gebruiken we van isotoopgevoelige technieken om selectief de grensvlakchemie en magnetisme in verschillende soorten metaal/oxide heterostructuren te onderzoeken. Dit zowel voor, tijdens, als na het aanleggen van een elektrisch veld. Om dit te bekomen wordt het grensvlak verrijkt met 57Fe, dat een Mössbauer actief isotoop is. Twee complementaire karakteriseringstechnieken - Mössbauer spectroscopie en nucleaire resonante verstrooiing van synchrotronstraling - worden gebruikt om verschillende soorten metaal/oxide grensvlakken te onderzoeken zoals Fe/BaTiO3, Fe/LiNbO3, Fe/SrTiO3, Fe/BiFeO3 en Fe/MgO. Gebaseerd op de resultaten, stellen we een model voor dat de modificaties van het metaal/oxide grensvlak geïnduceerd door het elektrisch veld verklaart. Een correlatie wordt waargenomen tussen de oxide eigenschappen (zoals de elektrische permittiviteit, werkfunctie en ferro-elektrische polarisatie) en het elektrisch veld geïnduceerde ionentransport doorheen het metaal/oxide grensvlak. Het verschil in werkfunctie tussen het metaal en de oxide bepaalt de initiële ladingsopbouw aan het grensvlak. De elektrische permittiviteit en polarisatie van de FE-oxide zijn verantwoordelijk voor het elektrisch veld geïnduceerde ionentransport doorheen het grensvlak. Het aanleggen van een elektrisch veld boven de drempelveldwaarde resulteert in de formatie van een dikke vermengde grenslaag en leidt tot een onomkeerbare afname van de magneto-elektrische koppelingseigenschappen. Daarom moeten multiferroïsche studies op FM/FE heterostructuren uitgevoerd worden met elektrische velden beneden de drempelveldwaarde. Het grensvlak tussen de metaallaag en de oxide met een zeer hoge diëlektrische constante kan geoxideerd of gereduceerd worden, afhankelijk van de polariteit en grootte van het aangelegde elektrische veld. De eindtoestand van het grensvlak wordt bepaald door de polarisatie geschiedenis van de heterostructuur. Deze resultaten bieden een beter begrip van elektrisch veld geïnduceerd ionentransport aan metaal/oxide grensvlakken en hebben belangrijke implicaties voor de verdere ontwikkeling van composiet multiferroïsche en complexe oxide heterostructuren in het algemeen.