Field-effect experiments on oxide superconductors thin films
Creators: name: Prigiobbo, Antonio
Publisher: name: Università degli Studi di Napoli Federico II
Year: 2006

description: [ITALIANO] Negli ultimi anni la ricerca nell’ambito della fisica dello stato solido ha rivolto  grande interesse allo studio delle proprietà dei sistemi fortemente correlati ed in particolare degli ossidi perovskitici dei metalli di transizione. Questi materiali presentano una grande varietà di notevoli proprietà, quali alti costanti dielettriche, ferroelettricità, effetti di magnetoresistenza colossale e superconduttività ad alta temperatura critica. La comune struttura perovskitica permette inoltre di poter integrare tali diverse funzionalità in eterostrutture multistrato.
Esperimenti di effetto di campo elettrico (field-effect) permettono la modulazione dei portatori senza alterare le caratteristiche strutturali dei materiali investigati, consentendo lo studio del ruolo intrinsico della concentrazione dei portatori nel modificare le proprieà degli ossidi perovskitici. Inoltre, l’effetto di campo elettrico è alla base del funzionamento dei transistors ad effetto di campo a semiconduttore (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET); quindi lo studio della risposta di nuovi materiali a tale tipo di sollecitazione può, in linea di principio, condurre anche all’individuazione di materiali candidati alla sostituzione del silicio nella realizzazione di dispositvi elettronici. Parametri critici in questo tipo di esperimenti sono lo spessore e la concentrazione di portatori del materiale studiato, lo spessore e le caratteristiche dielettriche dell’isolante attraverso cui viene applicato il campo, l’interfaccia tra i due.
Oggetto del lavoro di tesi è stato lo studio di field-effect su film sottili di ossidi superconduttori. Il lavoro è stato svolto in parte presso i laboratori di superconduttività del Dipartimento di Scienze Fisiche presso la facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Napoli e in parte presso il Département de Physique de la Matière Condensée (DPMC) dell’ Università di Ginevra sotto la supervisione del prof. J.-M. Triscone.
L’attività svolta a Napoli è stata concentrata sullo studio dell’effetto di campo su film ultrasottili (da 4 a 10 celle elementari) di Nd1,2Ba1,8Cu3Oy a valle della caratterizzazione delle loro proprietà di trasporto in funzione dello spessore.  Allo scopo è stata allestita una stazione di misura che consentisse di effettuare misure di resistività  in funzione della temperatura (in particolare di film isolanti) per diversi campi applicati e contemporaneamente permettesse il monitoraggio di eventuali correnti di perdita attraverso l’isolante. Il field-effect è stato studiato sia su film superconduttori (10 celle elementari di spessore) sia su film isolanti (4 e 8 celle elementari di spessore). A tal fine sono stati realizzati dispositivi in cui l’ Nd1,2Ba1,8Cu3Oy è stato depositato su substrati di STO e ricoperto da un sottile strato di ossido di alluminio (Al2O3). Entrambi sono stati impiegati per l’applicazione del campo modulante. Oltre all’effetto sull’andamento in temperatura della resistività, è stata indagata anche l’influenza del campo modulante sulle caratteristiche IV dei dispositivi realizzati.
A Ginevra è stato studiato l’effetto di campo su strati superficiali di titanato di stonzio ridotto mediante plasma ad idrogeno. L’STO è un isolante nel suo stato normale e presenta interessanti proprietà dielettriche. Se drogato mediante sosituzione o deviazione del contenuto di ossigeno dal suo valore stechiometrico (introduzione di vacanze di ossigeno o riduzione), presenta caratteristiche metalliche ed anche una transizione superconduttiva a bassissime temperature, anche a basse concentrazioni di portatori. Anche in questo caso tali proprietà sono fortemente dipendenti dal livello di drogaggio e quindi dalla concentrazione dei portatori. La riduzione mediante plasma ad idrogeno ha permesso di trattare solo strati superficiali di cristalli di STO portando alla realizzazione di dispositivi in cui le proprietà dielettriche dell’STO normale e quelle metalliche dell’STO ridotto fossero integrate in un unico cristallo. In un primo momento si è proceduo alla caraterizzazione delle proprietà di trasporto elettronico delle superfici ottenute in termini di resistenza, magnetoresistenza ed effetto Hall in funzione della temperatura. Poi è stata investigata la riposta di tali superfici all’effetto di campo applicando il campo modulante attraverso la parte non ridota del cristallo di STO. Infine, allo scopo di verificare l’effettiva modulazione della concentrazione dei portatori da parte dell’effetto di campo, sono state effettuate misure simultanee di field-effect e di effetto Hall. Quest’ultimo tipo di indagine è stata eseguita anche su alcuni campioni di Nd1,2Ba1,8Cu3Oy realizzati a Napoli. / [ENGLISH] In last decade a lot of interest has been focused on the field of the oxides electronics, in particular possible device application of the transition metals perovskite oxides have been investigated. In fact, these strongly correlated systems show ineteresting multifunctional properties such as high temperature superconductivity (HTS) in cuprates, colossal magnetoresistance (CMR) in manganites, ferroelectricity in titanates or high dielectric constant. The attention paid to this class of material is mainly due to the possibility of integrating these different poperties in a single multy-layered structure thanks to the structural compatibility they present, leading to the implementation of new electronic devices. 
Recently, field effect approach was successfully employed in order to verify the intrinsic role of the carrier concentration in determining perovskite oxides electronic transport behaviour. Interesting results have been obtained in modulating transport characteristics such as high temperature superconductivity and colossal magnetoresistance. In addition, field effect principle could leads to the realization of an all perovskite electronic switch device, wich could be a possible candidate in substituting the Si-based electronic technology. Unfortunately, field effect experiments present some problems related to both the characteristics of the materials employed and the needed experimental set-up. The former consist mainly in the thickness of the layer affected by the electrostatic modulation, governed by the carrier concentration via the Thomas-Fermi screening length; in the dielectric costant value of the insulating material employed to apply the modulating electric field; in possible interface related problems between the two. The latter are mainly due to the need of monitoring the very little leakage currents that can flow across the dielectric material during the experiment and to the possibility of measuring very high resistance values because of the little carrier concentrations desired to observe substantial electrostatic modulation effects.  
In this thesis the results obtained in field effect experiments on very thin supercondcuting films are reported. The principal aim of the work was acquire more informations about the field effect mechanism on superconductor thin films by studying two different systems characterised by low carrier density and no interface related problems, paying attention to the instrumentation related problems. The work was performed between the Dipartimento Scienze Fisiche at the Univeristà degli studi di Napoli and the Département de Physique de la Matière Condensée at the Université de Genève.
In Naples, underdoped Nd1,2Ba1,8Cu3Oy  very thin films were employed as channels in field effect devices. This compound, a classical example of cuprate superconductors, has shown a dependence of its electronic transport features as a function of the film thickness, presenting even Mott insulating behaviour in thinnest samples. In order to perform field-effect experiments on this material, devices consisting in Nd1,2Ba1,8Cu3Oy thin films deposited on STO substrates and covered by an Al2O3 thin layer were realised. Thanks to the deposition technique employed, completely in-situ, interfaces between the Nd1,2Ba1,8Cu3Oy films and both the STO substrate and the Al2O3 layer result of great quality. In this way both the materials could be exploited as dielectric to apply the modulating field across. A great effort was devoted to arrange a masurement set-up capable of measuring high resistance values in order to mainly investigate the elecrostatic modulation of the thinnest insulating samples. 
In Geneva an STO single crystal field effect device was realised and tested. The interest in the strontium titanate arises from the observation of an insulator-metal transition occurring in it at very low doping levels. In addition, the posibility of integrating in a single device both these transport features and the dielectric characteristics of its undoped state make this material very attractive. A new hydrogen plasma reducing technique was employed to obtain very thin surface doped layers on STO syngle crystals. The characterization of the obtained doped surface layers electronic transport in terms of resistivity, magnetresistance and Hall effect, all as a function of the temperature, was carried out first. Then the field effect response of these thin doped surface regions was studied exploiting the dielectric fatures of the remaining non-doped STO substrate. The low carrier density and the defect free interfaces obtained, at least in principle, promise great modulation effects can be achieved. In order to verify the applying modulating field acts on the carrier concentration, Hall effect and field effect measurements were performed simultaneously. These measurements have been also performed on few Nd1,2Ba1,8Cu3Oy samples exploiting the instrumental apparatus in Geneva.