Electric field control of remanent states in magnetic and ferroelectric tunnel junctions

Tunnel junctions consist of two metal electrodes separated by a very thin insulating barrier. Functional properties of tunnel junctions can be extended by using ferromagnetic materials as electrodes and/or ferroelectric ones as barrier, thanks to the tunnel magnetoresistance (TMR) and electroresistance (TER) e ects. Tunnel junctions thus have great potential for application in real memory/logic devices, provided that room temperature switching between stable states can be controlled by an external electric field (E-fi eld). This is a mandatory requirement in order to cope with the quest for higher storage density, higher speeds, and lower power consumption. The ultimate goal of the present thesis is to investigate memory/logic devices based on tunnel junctions which are characterized by (at least) two well de ned remanent resistance states that can be controlled by an external E- eld. To that purpose, two di erent strategies have been used: A) E- eld control of the remanent resistance states of a magnetic tunnel junction (MTJ) by using magnetoelectric coupling (MEC) e ects at multiferroic (Fe/BaT iO3) interfaces; B) E- eld control of the remanent resistance states of a tunnel junction with FE barrier (FTJ) displaying TER e ect. By consequence, the thesis is structured in two di erent blocks. In the rst block the study of magnetoelectric coupling at the fully epitaxial Fe/BaT iO3 (BTO) interface for the E- eld control of MTJ is presented. We will show that in fully epitaxial Fe/BTO systems, while strain-mediated MEC is suppressed likely due to clamping of BTO to the substrate, there is evidence for an undisclosed physical mechanism for interfacial MEC: the magnetization of the interfacial ultrathin oxidized iron layer (FeOx) can be electrically and reversibly switched on-o at room-temperature by reversing the BTO polarization thanks to the asymmetric e ect that ionic displacements in BTO produces on the exchange coupling constants in the adjacent FeOx layer. The second block is instead devoted to the fabrication and characterization of FTJs. The E- eld control of the remanent resistance states of large area FTJs displaying record room temperature TER e ect has been achieved. Moreover we will show that integration in FTJs of half-doped manganites, intrinsically highly sensitive to external perturbations, is very promising to obtain an overall further enhancement of the TER eff ect.

Le giunzioni a effetto tunnel consistono di due elettrodi metallici separati da un barriera isolante molto sottile. Le proprietà funzionali delle giunzioni tunnel possono essere estese usando materiali ferromagnetici come elettrodi e/o ferroelettrici come barriera, grazie agli effetti di magnetoresistenza (TMR) e elettroresistenza (TER) tunnel. Giunzioni tunnel quindi mostrano un grande potenziale per applicazioni in dispositivi di memoria o logici reali, se si ottiene il salto a temperatura ambiente tra stati stabili controllato con un campo elettrico esterno (campo E). questo è un requisito obbligatorio per fronteggiare la richiesta di maggior densità di impaccamento dati, maggior velocità e minor consumo di energia. Lo scopo finale di questa tesi è studiare dispositivi di memoria o logici basati su giunzioni tunnel che son caratterizzate da (almeno) due stati di resistenza ben definiti che possono essere controllati da un campo E esterno. a tale scopo sono state usate due diverse strategie: A) controllo elettrico degli stati di resistenza di una giunzione tunnel magnetica (MTJ) usando gli effetti di accoppiamento magnetoelettrico (MEC) ad una interfaccia multiferroica (Fe/BaTiO3); B) controllo elettrico degli stati di resistenza di una giunzione tunnel con barriera ferroelettrica (FTJ) che mostri effetto TER. Di conseguenza, la tesi è strutturata in due blocchi differenti. Nel primo blocco è presentato lo studio dell'accoppiamento magnetoelettrico all'interfaccia epitassiale Fe/BaTiO3 (BTO) per il controllo elettrico delle MTJ. mostreremo che in sistemi Fe/BTO epitassiali, mentre il MEC dovuto a deformazione (strain) è soppresso molto probabilmente poichè il BTO è bloccato dal substrato, c'è evidenza per un nuovo meccanismo fisico di MEC all'interfaccia: la magnetizzazione dello strato ultrasottile di ferro ossidato all'interfaccia (FeOx) può essere accesa-spenta elettricamente e reversibilmente a temperatura ambiente invertendo la polarizzazione del BTO grazie all'effetto asimmetrico che produce lo spostamento relativo degli ioni nel BTO sulle costanti di scambio nello strato di FeOx adiacente. la seconda parte della tesi è invece dedicata alla fabbricazione e caratterizzazione delle FTJ. Abbiamo ottenuto il controllo elettrico degli stati di resistenza di FTJ con grande area di giunzione: in particolare le nostre giunzioni mostrano effetto TER record a temperatura ambiente. inoltre mostriamo che l'integrazione di manganiti dopate al 50%, che mostrano intrinsecamente grande sensibilità alle perturbazioni esterne, in FTJ è molto promettente per cercare di ottenere un ulteriore aumento dell'effetto TER.