Field-effect experiments on oxide superconductors thin films

[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 ਠalla 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 puà², 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 ਠstato lo studio di field-effect su film sottili di ossidi superconduttori. Il lavoro ਠstato 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 Dà©partement de Physique de la Matià¨re Condensà©e (DPMC) dell' Università  di Ginevra sotto la supervisione del prof. J.-M. Triscone. L'attività  svolta a Napoli ਠstata 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 ਠstata 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 ਠstato 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 ਠstato 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 , ਠstata indagata anche l'influenza del campo modulante sulle caratteristiche IV dei dispositivi realizzati. A Ginevra ਠstato studiato l'effetto di campo su strati superficiali di titanato di stonzio ridotto mediante plasma ad idrogeno. L'STO ਠun 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 ਠproceduo alla caraterizzazione delle proprietà  di trasporto elettronico delle superfici ottenute in termini di resistenza, magnetoresistenza ed effetto Hall in funzione della temperatura. Poi ਠstata 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 ਠstata 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 Dà©partement de Physique de la Matià¨re Condensà©e at the Università© de Genà¨ve. 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.