Estudio de la compatibilidad en bicapas basadas en BiFeO3 y VO2

Abstract

Un paso importante para el desarrollo y obtención de nuevos dispositivos basados en materiales multiferroicos, es crecer estos materiales en películas delgadas sobre materiales distintos a los substratos estudiados tradicionalmente, generando heteroestructuras que permitan nuevos acoples y/o funcionalidades mixtas. En este trabajo se realizó un estudio de la compatibilidad de películas delgadas basadas en el multiferroico BiFeO3 (ferrita de bismuto, BFO) y películas delgadas de VO2 (dióxido de vanadio), se obtuvieron los parámetros de crecimiento individuales y un método para la obtención de bicapas, cuyos parámetros de crecimiento permitieran conservar los efectos de transición de fase de la capa del VO2, con los cuales a futuro sería posible modificar las propiedades ferroeléctricas y magnéticas del BFO. Se estudio la influencia que tiene el acople de estos materiales en bicapa con las propiedades originales de las capas individuales. Se utilizó para este propósito la técnica de Sputtering RF y DC, en una atmósfera controlada de oxígeno y argón. Una vez encontrados los parámetros de deposición apropiados y obtenidas las bicapas planteadas con un espesor constante de VO2 y espesores distintos de la capa superior de BFO, Se midieron las propiedades estructurales, morfológicas, superficiales y eléctricas de cada película obtenida. La caracterización estructural se llevó a cabo con difracción de rayos X (DRX) a temperatura ambiente, con la cual se encontraron las fases características y parámetros de red del VO2 aislante, del BFO multiferroico y de las bicapas. Se realizaron medidas de caracterización superficial usando microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de barrido (SEM), con el fin de estudiar la rugosidad de las capas y su espesor. Por otra parte, se analizaron las monocapas y las bicapas mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) y espectroscopía de rayos X de energía dispersiva (EDS), para la identificación de los elementos presentes, su entorno molecular y estado de oxidación. Usando reflectividad de rayos X (XRR) y perfilometría fue posible determinar las tasas de depósito de los óxidos. Además, se estudiaron las propiedades eléctricas mediante curvas I(V) y R(T). Los resultados obtenidos a partir de la caracterización estructural, morfológica y eléctrica de las películas obtenidas, permitieron evaluar los mecanismos de acoplamiento del BFO depositado sobre VO2 y de esta manera, aportar contribuciones significativas en el entendimiento de los fenómenos competitivos de interacción y de interfase que se establecen en este tipo de sistemas.

An important step for the development and obtaining of new devices based on multiferroic materials is to grow these materials in thin films on materials other than the traditionally studied substrates, generating heterostructures that allow new couplings and/or mixed functionalities. In this work, a study of the compatibility of thin films based on the multiferroic BiFeO3 (bismuth ferrite, BFO) and VO2 (vanadium dioxide) thin films was carried out, the individual growth parameters and a method for obtaining bilayers, whose growth parameters allowed to preserve the phase transition effects of the VO2 layer, with which in the future it would be possible to modify the ferroelectric and magnetic properties of the BFO. The influence of the coupling of these bilayer materials with the original properties of the individual layers was studied. For this purpose, the RF and DC Sputtering technique was used, in a controlled atmosphere of oxygen and argon. Once the appropriate deposition parameters were found and the bilayers raised with a constant VO2 thickness and different thicknesses of the upper BFO layer were obtained, the structural, morphological, surface and electrical properties of each film obtained were measured. The structural characterization was carried out with X-ray diffraction (XRD) at room temperature, with which the characteristic phases and lattice parameters of the insulating VO2, the multiferroic BFO and the bilayers were found. Surface characterization measurements were performed using atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM), in order to study the roughness of the layers and their thickness. On the other hand, the monolayers and bilayers were analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), for the identification of the elements present, their molecular environment and oxidation state. Using X-ray reflectivity (XRR) and profilometry it was possible to determine the deposition rates of the oxides. In addition, the electrical properties were studied using I(V), V(I) and R(T) curves. The results obtained from the structural, morphological and electrical characterization of the films obtained, allowed to evaluate the coupling mechanisms of the BFO deposited on VO2 and, in this way, provide significant contributions in the understanding of the competitive interaction and interface phenomena that are established in this type of system.