Electric control of the perpendicular magnetic anisotropy in CoFeB/BaTiO3 heterostructures

The thesis project has been realized at the NaBiS (NanoBiotechnology and Spintronics) group of L-NESS center, located at Polo Regionale di Como of Politecnico di Milano. The group is coordinated by prof. Riccardo Bertacco. The thesis work has concerned the development, the characterization and the optimization of composite multiferroic heterostructures based on the composition of a ferroelectric material (BaTiO3, BTO) and a ferromagnetic one (Co0.4Fe0.4B0.2, CoFeB) in order to realize a system that offers the possibility to manipulate the magnetic properties of CoFeB (magnetization orientation and coercive fields) through the application of electric fields in BTO, exploiting interface effects between the two materials. Currently, the research all over the world is focussed in seeking alternatives to conventional silicon-based electronics, whose development is expected to have an inevitable slowdown in the coming years. Among the possible candidates are, for example, the magnetoresistive RAMs (MRAMs) based on spin-transfer torque, which offer superior performance than conventional memories, but they have one significant drawback in requiring a high current in the writing process, that limits the fundamental requirements of low power consumption and thermal stability. A writing process requiring the application of a voltage, rather than a current, would be the key to having ultra-low power consumption. For this reason, scientific community is investigating with increasing interest multiferroic systems [1], materials presenting at least two of the properties of ferroelectricity, ferromagnetism and ferroelasticity in the same phase. The most interesting in view of applications are those presenting magnetoelectric coupling, namely presenting a correlation between the electric and magnetic orders: this connection allows to modulate the magnetic properties of such materials through the application of electric fields, and vice versa. This makes multiferroics a great resource, allowing to aspire, for example, to the development of electrically controlled magnetic memories. In particular, in the framework of memory technology the possibility of electrically writing the information in a magnetic memory cell allows to exploit the stability and high density tipical of this type of memories, and at the same time to avoid the use of components for the generation of localized magnetic fields, which still today represents a high cost in terms of the realization of memory devices and a cause of significant power consuption. The majority of the multiferroic materials, however, present the magnetoelectric coupling at temperatures below the room temperature; moreover, such coupling is often not sufficiently large to allow for a good manipulation of the magnetic properties. Nevertheless, the magnetoelectric coupling is present also in systems that do not involve proper-multiferroic materials, which are improperly called composite multiferroic systems, namely structures made of two materials showing only one order parameter each, but coupled with each other. If compared to the proper-multiferroic materials, the composite multiferroics offer several advantages, first of all the possibility to couple different materials and select therefore the materials presenting the largest coupling. Moreover, materials widely-studied in thin film heterostructures can be employed and offer the possibility of growing epitaxial structures, from which spintronic devices, for example, can be developed. In contrast to the volume property of multiferroicity, magnetoelectric coupling occurs at the interface, thus it requires the use of very thin films of magnetic material in order to exploit such coupling. This is the case, for example, of the heterostructure employed in this work, which combines BTO (ferroelectric) and CoFeB (ferromagnetic) to develop a composite multiferroic system: the polarization of BTO influences the magnetic properties of CoFeB through effects located at the interface, allowing therefore to mutually manipulate the two properties. In particular, the thesis work takes inspiration from the multiferroic system consisting of the epitaxial heterostructure Fe/BTO, recently studied by Brivio et al. [2] at the NaBiS group where the thesis work has been carried out. In the latter study, a significative modulation of the magnetic anisotropy of Fe in the film plane has been obtained, thanks to a magnetostrictive effect, through the application of an electric field to a BTO substrate. The system employed in this thesis work consists of the thin film heterostructure Ta/CoFeB/BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3/ SrTiO3, grown by pulsed laser deposition and magnetron sputtering. The substrate is SrTiO3, while the BTO is a thin film with a thickness of 150 nanometers. Such a thin film heterostructure is easily integrable in devices (that may be also grown on Si instead of SrTiO3) and allows to obtain BTO in a single crystal phase (tetragonal) at room temperature. The last layer consists of a thin film of Tantalum, with the dual purpose of avoiding the oxidation of CoFeB and allowing to obtain a magnetic anisotropy in CoFeB in the direction perpendicular to the film plane (PMA). A recent theoretical study by Lukashev et al. [3] predicts the presence of a very large magnetoelectric coupling in the heterostructure Fe/BTO where Fe presents a PMA. As a matter of fact, both magnetoelectric coupling and PMA are interface effects, therefore it is reasonable to expect that a ferromagnetic material with PMA would be more sensitive to the magnetoelectric coupling than a material with a magnetic anisotropy parallel to the film plane. For this reason, considering also the advantages of storing information in magnetic cells with PMA if compared to the traditional storing in magnetic cells with longitudinal magnetization [4], the study of the system CoFeB/BTO is very promising and is extensively presented in this work. The experimental work can be divided into three parts: • Realization and optimization of the heterostructure and the devices. As a starting point, the research foussed on the investigation of possible materials capable of inducing PMA in CoFeB, from which followed the choice to use Ta as the top layer. The growth process and the thicknesses of CoFeB ad Ta have been then optimized in order to obtain a heterostructure with the desired PMA. • Fabrication of the devices. In order to perform the magnetoelectric measurements (manipulation of CoFeB magnetic anisotropy through the electric field in BTO), two different types of device have been realized by optical lithography starting from the aforementioned heterostructure. These devices have different geometries, aimed at different usage (magneto-optical Kerr effect, MOKE, or anomalous Hall effect, AHE) • Magneto-optical and anomalous Hall measurements. During the work the experimental apparatus used for micro-MOKE measurements has been designed, realized and calibrated to reach a spatial resolution of 60 microns. For the magneto-optical measurements, micrometric devices have been fabricated and the perpendicular and parallel-to-plane magnetization curves of CoFeB have been measured as a function of a voltage applied to BTO. The second type of device has been realized in order to evaluate the magnetoelectric coupling in a complete device, which exploits the AHE to realize a purely-electric measurement of the magnetic properties of CoFeB as a function of the voltage applied to BTO. The thesis work here presented is divided into six chapters and two appendices: Chap. 1 Introduction to the research field, state of the art and reasons that underlie the project. Chap. 2 Fundamental theoretical concepts (elements of micromagnetism, ferroelectricity and magnetoelectric coupling). Chap. 3 Description of the used techniques, processes of fabrication and experimental apparatus. Chap. 4 Realization and optimization of the devices. Chap. 5 Magneto-optical and AHE measurements. Chap. 6 Conclusions and perspectives. App. A Finite-element simulation of the magnetic behaviour of thin films of CoFeB with PMA. App. B List of samples grown and characterized during this work.

Il progetto di tesi è stato realizzato presso il gruppo NaBiS (NanoBiotechnology and Spintronics) del centro L-NESS situato nel Polo Regionale di Como del Politecnico di Milano. Il gruppo è coordinato dal prof. Riccardo Bertacco. Il lavoro di tesi ha riguardato lo sviluppo, la caratterizzazione e l’ottimizzazione di eterostrutture multiferroiche composite basate sulla combinazione di un materiale ferroelettrico (BaTiO3, BTO) ed di uno ferromagnetico (Co0.4Fe0.4B0.2, CoFeB) per realizzare un sistema in cui sia possibile manipolare le proprietà magnetiche del Co- FeB (orientazione della magnetizzazione e campi coercitivi) mediante l’applicazione di campi elettrici al BTO, sfruttando effetti di interfaccia tra i due materiali. Attualmente la ricerca in tutto il mondo è concentrata nel cercare alternative all’elettronica convenzionale basata sul silicio, il cui sviluppo è previsto avere nei prossimi anni un inevitabile rallentamento. Tra i possibili candidati ci sono ad esempio le RAM magnetoresistive (MRAM) basate sullo spin-transfer torque, che offrono prestazioni superiori alle memorie convenzionali, ma che presentano uno svantaggio rilevante nel richiedere in fase di scrittura una corrente elevata, che ne limita i requisiti fondamentali di basso consumo e stabilità termica. Un processo di scrittura della memoria che richieda l’applicazione di una tensione elettrica, invece che una corrente, sarebbe la chiave per avere dei consumi estremamente contenuti. Proprio per questo motivo, la comunità scientifica sta investigando con sempre maggior interesse i sistemi multiferroici [1], materiali che presentano almeno due tra le proprietà di ferroelettricità, ferromagnetismo e ferroelasticità nella stessa fase. I più interessanti dal punto di vista delle applicazioni sono quelli che presentano accoppiamento magnetoelettrico, ovvero che presentano una correlazione tra ordine elettrico e ordine magnetico: questo legame permette di modulare le proprietà magnetiche di tali materiali mediante l’applicazione di campi elettrici, e viceversa. Questo rende i multiferroici una grande risorsa, permettendo di ambire per esempio allo sviluppo di memorie magnetiche pilotate elettricamente. Nel campo delle memorie, in particolare, la possibilità di scrivere elettricamente l’informazione in una cella di memoria magnetica permette di sfruttare la stabilità e l’alta densità di questo tipo di memorie, e al contempo di evitare l’utilizzo di componenti per la generazione di campi magnetici localizzati, che rappresenta tutt’oggi un costo elevato in termini di realizzazione dei dispositivi di memorizzazione e una fonte di consumo energetico notevole. La maggior parte dei materiali multiferroici, tuttavia, presenta l’accoppiamento magnetoelettrico a temperature inferiori alla temperatura ambiente; spesso, inoltre, tale accoppiamento non è sufficientemente elevato da permettere una buona manipolazione delle proprietà magnetiche. L’accoppiamento magnetoelettrico è presente tuttavia anche in sistemi che non comprendono materiali propriamente multiferroici, ma che vengono chiamati impropriamente sistemi multiferroici compositi, ovvero delle strutture composte da due materiali che presentano un solo parametro d’ordine ciascuno, ma che sono accoppiati tra di loro. Rispetto ai materiali propriamente multiferroici, i multiferroici compositi offrono molti vantaggi, primo tra tutti la possibilità di accoppiare materiali diversi e di selezionare quindi i materiali che presentano il maggior grado di accoppiamento. Si possono inoltre utilizzare materiali già ampiamente studiati in eterostrutture a film sottile, di cui è nota la possibilità di crescere strutture epitassiali da cui si possono ricavare dispositivi spintronici, ad esempio. Di contro, rispetto ai materiali in cui la multiferroicità è una proprietà di volume, l’accoppiamento ha luogo all’interfaccia, quindi richiede necessariamente di utilizzare film molto sottili di materiale magnetico per poter sfruttare tale accoppiamento magnetoelettrico. È il caso ad esempio dell’eterostruttura oggetto di questo lavoro, che combina BTO (ferroelettrico) e CoFeB (ferromagnetico) per costituire un sistema multiferroico composito: la polarizzazione del BTO influenza le proprietà magnetiche del CoFeB tramite effetti localizzati all’interfaccia, permettendo di conseguenza di manipolare le due proprietà reciprocamente. Il lavoro di tesi ha preso spunto dal sistema multiferroico composito costituito dall’eterostruttura epitassiale Fe/BTO, studiata recentemente da Brivio et al. [2] presso il gruppo NaBiS in cui è stata svolta la tesi. In tale lavoro, una significativa modulazione dell’anisotropia magnetica del Fe nel piano del film, a causa di un effetto magnetostrittivo, è stata ottenuta tramite l’applicazione di un campo elettrico a un substrato di BTO. Il sistema utilizzato in questo lavoro consiste nell’eterostruttura a film sottili Ta/CoFeB/BaTiO3/La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3, cresciuta per deposizione con laser impulsato e con bombardamento ionico (magnetron sputtering). Il substrato è SrTiO3 mentre il BTO si presenta sotto forma di un film sottile di spessore pari a 150 nanometri. Tale eterostruttura costituita da film sottili sovrapposti è facilmente integrabile nei dispositivi (in prospettiva anche cresciuti su Si invece che SrTiO3) e inoltre permette di avere il BTO in una singola fase cristallina (tetragonale) a temperatura ambiente. Lo strato finale è costituito da un film sottile di Tantalio, con il duplice scopo di evitare l’ossidazione del CoFeB e di permettere di ottenere nel CoFeB un’anisotropia magnetica uniassiale perpendicolare al piano nel CoFeB (PMA). Un recente studio teorico di Lukashev et al. [3] ha messo in evidenza la presenza di un forte accoppiamento magnetoelettrico nell’eterostruttura Fe/BTO in cui il Fe presenti una PMA. A tutti gli effetti, sia l’accoppiamento magnetoelettrico, sia la PMA sono fenomeni che originano all’interfaccia, quindi ci si aspetta che un film di materiale ferromagnetico con PMA sia più sensibile all’accoppiamento magnetoelettrico di un film con anisotropia magnetica parallela al piano del film. Per questo motivo, sommato ai vantaggi della memorizzazione con elementi magnetici PMA rispetto ai convenzionali elementi con magnetizzazione longitudinale [4], lo studio del sistema CoFeB/BTO risulta essere molto promettente e viene presentato estesamente in questo lavoro. Il lavoro sperimentale svolto può essere suddiviso in tre parti: • Realizzazione ed ottimizzazione delle eterostrutture e dei dispositivi. Inizialmente sono stati cercati i materiali ottimali in grado di indurre anisotropia perpendicolare magnetica al piano nel film ferromagnetico di CoFeB, da cui la scelta di usare il Ta come strato superiore. Sono stati poi ottimizzati il processo di crescita e gli spessori di CoFeB e Ta, al fine di ottenere un’eterostruttura con la PMA richiesta. • Fabbricazione dei dispositivi. Allo scopo di effettuare le misure magnetoelettriche (manipolazione dell’anisotropia magnetica del CoFeB per mezzo del campo elettrico nel BTO) sono stati realizzati tramite litografia ottica, a partire dell’eterostruttura sopra descritta, due diversi tipi di dispositivi tramite litografia ottica. Questi ultimi si differenziano geometricamente in base al loro utilizzo successivo (effetto Kerr magneto-ottico, MOKE, o effetto Hall anomalo, AHE). • Misure magneto-ottiche e di effetto Hall anomalo. Durante la tesi è stato progettato, realizzato e calibrato l’apparato sperimentale utilizzato per le misure micro-MOKE, ottenendo una risoluzione spaziale di 60 micrometri. Per le misure magneto-ottiche sono stati fabbricati dei dispositivi micrometrici su cui è stata misurata la curva di magnetizzazione del CoFeB perpendicolare e parallela al piano in funzione di una tensione elettrica applicata al BTO. Il secondo tipo di dispositivo è stato realizzato allo scopo di valutare l’accoppiamento magnetoelettrico in un dispositivo completo, che sfrutta l’effetto Hall anomalo per realizzare una misura totalmente elettrica delle proprietà magnetiche del CoFeB in funzione della polarizzazione del BTO. Il lavoro di tesi presentato in questo elaborato è suddiviso in sei capitoli e due appendici: Cap. 1 Introduzione alla tematica di ricerca, stato dell’arte e le motivazioni alla base della ricerca effettuata. Cap. 2 Concetti teorici di base (elementi di micromagnetismo, ferroelettricità ed accoppiamento magnetoelettrico). Cap. 3 Descrizione delle le tecniche, dei processi di fabbricazione e degli apparati di misura utilizzati. Cap. 4 Realizzazione ed ottimizzazione dei dispositivi. Cap. 5 Misure magnetoelettriche e di effetto Hall anomalo. Cap. 6 Conclusioni e prospettive. App. A Simulazione a elementi finiti del comportamento magnetico di film sottili di CoFeB con PMA. App. B Lista dei campioni cresciuti e caratterizzati durante il lavoro.