Electric control of magnetic properties and electronic transport in multiferroic heterostructures

In the last years, the steep rise of the amount of digital information stored and shared worldwide has posed a set of important challenges for research and industry in order to develop new storage technologies that are fast, nonvolatile and energy-efficient. Among the different solid state technologies under development, the most innovative magnetic memories, based on the MRAM architecture, seem to be able to offer the best performances in terms of speed and reliability. However, the excessive power consumption, due to the high current densities required for magnetic state writing, limits the large-scale applications of these devices. A potential alternative to current-driven writing in magnetic memories can be found in multiferroic systems that show magnetoelectric coupling. In these systems, coexistence of ferromagnetic (FM) and ferroelectric (FE) ordering and their reciprocal interaction allows a purely electric control of magnetism, with possible applications in low power storage devices. The present work, carried on in the Nanobiotechnology and Spintronics group of Politecnico di Milano, aims at investigating magnetoelectric coupling effects in composite FE/FM heterostructures, with the goal to realize devices in which the magnetic properties of the FM could be modified upon application of an electric voltage to the FE. This idea is exploited in two different kinds of devices: ferroelectric capacitors with magnetic electrodes and multiferroic tunnelling junctions. Key components of ferroelectric capacitors are the FE oxyde BaTiO3 (BTO) and the FM alloy CoFeB. The dependence of the perpendicular magnetic anisotropy of CoFeB thin films on BTO polarization at room temperature is revealed in these devices by the variation of the magnetic coercive field of CoFeB, measured by magneto-optical Kerr effect. Multiferroic tunnelling junctions are based instead on the heterostructure Co/Fe/BaTiO3/LaSrMnO3, where LaSrMnO3 and Co/Fe are the FM electrodes and BTO acts both as tunnel barrier and FE element. In these devices, both tunnelling electroresistance and tunnelling magnetoresistance are indipendently observed. Moreover, ferroelectric control of spin polarization of Fe layer is found, denoted by the dependence of the magnetoresistance values on the barrier polarization. The magnetoelectric coupling effects shown by these devices finally demonstrate the opportunity of a purely electrical control of the magnetization, thus paving the way to a new generation of low power consumption magnetic memories.

L’aumento vertiginoso della quantità di informazione digitale immagazzinata e scambiata ha posto negli ultimi anni ricerca e industria di fronte a importanti sfide per sviluppare nuove tecnologie di memorizzazione veloci, stabili e a basso consumo energetico. Tra le diverse tecnologie a stato solido in via di sviluppo, le memorie magnetiche più innovative, basate sull’architettura MRAM, sembrano potere offrire le prestazioni migliori in termini di velocità e affidabilità. Tuttavia, l’eccessivo consumo energetico, dovuto alle alte densità di corrente necessarie per la scrittura dell’informazione magnetica, ne limita ancora l’applicazione su larga scala. Una possibile alternativa alla scrittura per mezzo di correnti nelle memorie magnetiche è fornita dai sistemi multiferroici che presentano accoppiamento magnetoelettrico. In questi sistemi la coesistenza di ordinamento ferromagnetico (FM) e ferroelettrico (FE) e la loro reciproca interazione permette di ottenere un controllo puramente elettrico del magnetismo, con potenziali applicazioni in dispositivi di memorizzazione a basso consumo. Il presente lavoro, svolto nel gruppo di Nanobiotecnologia e Spintronica del Politecnico di Milano, si propone di investigare possibili fenomeni di accoppiamento magnetoelettrico in eterostrutture composite FE/FM, con l’obiettivo di realizzare dispositivi in cui le proprietà magnetiche del FM possano essere modificate dall’applicazione di una tensione al FE. Questa idea viene applicata a due diversi tipi di dispositivo: capacitori ferroelettrici con elettrodi magnetici e giunzioni multiferroiche ad effetto tunnel. Gli elementi fondamentali dei capacitori ferroelettrici sono l’ossido FE BaTiO3 (BTO) e la lega FM CoFeB. La dipendenza dell’anisotropia magnetica perpendicolare dei film sottili di CoFeB dalla polarizzazione del BTO a temperatura ambiente si traduce in questi dispositivi nella variazione del campo coercitivo magnetico del CoFeB, misurato grazie per mezzo dell’effetto Kerr magneto-ottico. Le giunzioni multiferroiche ad effetto tunnel sono basate invece sull’eterostruttura Co/Fe/BaTiO3/LaSrMnO3, dove LaSrMnO3 e Co/Fe sono gli elettrodi FM e il BTO svolge la funzione di barriera ed elemento FE. Questi dispositivi presentano indipendentemente sia elettroresistenza che magnetoresistenza per effetto tunnel. Si osserva inoltre un controllo ferroelettrico sulla polarizzazione di spin del Fe, evidenziato dalla variazione dei valori di magnetoresistenza in funzione della polarizzazione della barriera. Gli effetti di accoppiamento magnetoelettrico mostrati da questi dispositivi dimostrano la possibilità di un controllo puramente elettrico della magnetizzazione, aprendo la strada ad una nuova generazione di memorie magnetiche a basso consumo.