Magneto-optical investigation of HZO/Co capacitors for electrical control of the magnetic state

This thesis work concerns the development, characterization, and optimization of a high sensitivity spatial micro-MOKE detection system, which allows performing magnetic characterizations of thin films and micro devices, and its application to a particular case, the magneto-electric coupling in capacitor-like devices based on the multiferroic composite heterostructure Co/HZO. The working operation of this setup is based on magneto-optical Kerr effect, which allows to map the magnetization of materials using polarized light. In research areas such as spintronics and magnetism, the study of magnetic properties is frequent in composite materials, either in the form of single layers or multilayers, whose properties manifest themselves near the surfaces or interfaces. In this context, this system makes it possible to carry out measurements with high surface sensitivity and high spatial resolution, such as to allow the study of magnetic phenomena at a microscopic level. The ability to focus the light with an objective allows the system to obtain a spatial resolution to 5 μm. The setup has a high versatility in characterizing magnetic samples with longitudinal and polar configurations, through the objective lens, whose axis can be shifted regarding the light beam direction. Furthermore, the use of a detector, whose signal acquisition method is based on an amplified differential system, gives to the system high sensitivity, such as to allow it to measure signals with a good signal-to-noise ratio without modulation of the light signal. Given the low invasiveness of light-based detection schemes, this system is well suited to being integrated with other characterization systems, for example electrical, to allow the study of magnetic phenomena coupled to other physical effects. This system was therefore used to study the magnetoelectric coupling effects between the magnetization and the electrical polarization of an artificial multiferroic heterostructure based on the composition of a ferroelectric material (HZO) and a ferromagnetic one (Co). HZO is a ferroelectric material that has attracted interest in the scientific community due to its compatibility with silicon-based device systems. The experiment was aimed at evaluating if and how the polarization of the HZO layer can influence the magnetic properties of the Co layer in micro-sized capacitor devices based on the Co/HZO heterostuctrure. The relevance of this experiment finds its motivations in a broader field of research on alternative systems to traditional CMOS-based electronics, in particular in the field of memory devices, pointing to a low-dissipation and energy-saving new generation of devices, in the framework of so-called "green electronics".

Questo lavoro di tesi riguarda lo sviluppo, la caratterizzazione e l’ottimizzazione di un sistema di rilevamento micro-MOKE ad elevata sensibilità spaziale, che consente di effettuare caratterizzazioni magnetiche di film sottili e dispositivi micrometrici, e la sua applicazione a un caso particolare, l’accoppiamento magneto-elettrico in capacitori di dimensioni micrometriche basati sull’eterostruttura composita multiferroica Co/HZO. Il funzionamento di questo setup si basa sull’effetto Kerr magneto-ottico, che consente di mappare la magnetizzazione dei materiali utilizzando la luce polarizzata. In ambiti di ricerca come la spintronica e il magnetismo, lo studio delle proprietà magnetiche è frequente nei materiali compositi, sia sotto forma di singoli strati e di multistrati, le cui proprietà si manifestano vicino alle superfici o alle interfacce. In questo contesto, questo sistema consente di effettuare misurazioni con elevata sensibilità superficiale e alta risoluzione spaziale, tale da permettere lo studio dei fenomeni magnetici a livello microscopico. La capacità di focalizzare la luce con un obiettivo consente al sistema di ottenere un risoluzione spaziale fino a 5 μm. Il setup ha una grande versatilità nella caratterizzazione di campioni magnetici con configurazioni longitudinali e polari, attraverso l’obiettivo, il cui asse può essere spostato rispetto alla direzione del fascio luminoso. Inoltre, l’uso di un fotodiodo, in grado di misurare ed amplificare un segnale differenziale, garantisce al sistema un’elevata sensibilità, tale da consentire di misurare segnali con un buon rapporto segnale-rumore senza modulazione del segnale luminoso. Data la bassa invasività dei sistemi di rilevamento basati sulla luce, questo sistema è ben adatto ad essere integrato con altri sistemi di misurazione, ad esempio elettrici, per consentire lo studio di fenomeni magnetici accoppiati ad altri fenomeni fisici. Questo sistema è stato quindi utilizzato per studiare gli effetti di accoppiamento magnetoelettrico tra la magnetizzazione e la polarizzazione elettrica di un’eterostruttura multiferroica artificiale all’interfacia tra un materiale ferroelettrico (HZO) e uno ferromagnetico (Co). HZO è un materiale ferroelettrico che ha attirato l’interesse della comunità scientifica per la sua compatibilità con i dispositivi basati su silicio. L’esperimento aveva lo scopo di valutare se e come la polarizzazione dello strato di HZO può influenzare le proprietà magnetiche dello strato di Co in dei capacitori di dimensioni micrometriche basati sull’eterostruttura Co/HZO. La rilevanza di questo esperimento trova le sue motivazioni in un campo più ampio di ricerca su sistemi alternativi all’elettronica tradizionale basata su CMOS, in particolare nel campo dei dispositivi di memoria, puntando a una nuova generazione di dispositivi a bassa dissipazione e risparmio energetico, nell’ambito della cosiddetta "elettronica verde".