FIB and Functional Ferroics: Structuring and Correlated Microscopy

Abstract

Norsk sammendrag FIB og funksjonelle ferroiske materialer

For å fortsette utviklingen av raskere og mer energieffektiv elektronikk er vi nødt til å utnytte nye fysiske fenomener. I dette arbeidet studeres ferroiske materialer for dette formålet. Disse materialene har en spontan indre orden, f.eks. ordningen av magnetisering i ferromagneter. Defekter i denne ordenen kan gi opphav til helt nye fysiske egenskaper og funksjonalitet som kan anvendes i fremtidens nanoelektronikk.

For å kunne studere og utnytte slike nanoskopiske objekter trengs imidlertid nye mikroskopiteknikker. Formålet med denne oppgaven er å utvikle nye eksperimentelle metoder der en fokusert ionestråle (FIB) brukes i kombinasjon med sveipelektronmikroskopi (SEM) og atomkraftmikroskopi (AFM) for å få tilgang til, og kontroll over, funksjonelle ferroiske objekter på nanoskala. Arbeidet tar for seg to eksempelsystemer: ferroelektriske domenevegger i ErMnO3 og ferromagnetiske skyrmioner i Fe3Sn2.

Ferroelektriske domenevegger er kvasi-todimensjonelle grenseflater mellom regioner med forskjellig elektrisk polarisering, som kan lages, flyttes og fjernes med elektriske felt. Domenevegger kan gi opphav til et elektrisk ledende sjikt i et ellers isolerende materiale, og denne unike kombinasjonen av egenskaper gjør domenevegger til et spennende eksempel for nanoelektronikk. Et overordnet mål for dette doktorgradsarbeidet er å studere domeneveggenes tredimensjonale geometri, som er avgjørende for deres funksjonelle egenskaper. En rekke nye eksperimentelle metoder demonstreres som kaster lys over domeneveggenes 3D-geometri med nanoskopisk oppløsning, og hvordan denne påvirker deres ledningsevne.

Magnetiske skyrmioner er virvler i magnetisering som i praksis opptrer som kontrollerbare magnetiske kvasipartikler. Skyrmioner er av stor interesse for å lagre og manipulere informasjon med høy stabilitet og lavt energiforbruk. I dette arbeidet undersøkes materialet Fe3Sn2 som kan danne skyrmioner ved romtemperatur. Dette krever imidlertid presis kontroll over materialets størrelse og geometri. Med en kombinasjon av FIB-strukturering og magnetkraftmikroskopi demonstreres nye teknikker for fabrikasjon og avbildningm, med det endelige målet å demonstrere en prototype på skyrmionisk minneteknologi.

FIB and Functional Ferroics: Structuring and Correlated Microscopy

Long range order in ferroics is the origin of many technologically important material properties. As new microscopy techniques have allowed the investigation of ever smaller length scales, a new world of functional small-scale structures in the ferroic ordering has become accessible. In this work, Focused Ion Beam (FIB) is employed in combination with Scanning Electron Microscopy (SEM) and Scanning Probe Microscopy (SPM) to develop new methods for studying small-scale functional phenomena in ferroic materials. Two main examples are investigated: ferroelectric domain walls in ErMnO3, and ferromagnetic skyrmionic bubbles in Fe3Sn2. New techniques are developed both to further the study of the fundamental properties of these topological nano-objects, and to facilitate their utilization in future technology.

A range of new SEM contrast phenomena in ErMnO3 are demonstrated that enable the direct imaging of domains and domain walls with high flexibility regarding sample geometry and orientation. In combination with FIB cross sectioning, this is used to image the domain structure also beneath the surface of a sample. A new FIB lift-out technique is demonstrated, allowing the extraction of as-grown domain wall structures in ferroelectrics for subsequent study using SPM for potential application in domain wall nanoelectronic devices. Finally, FIB tomography is demonstrated to successfully image ferroelectric domain wall structures in 3D, with spatial resolution on the nanoscale. Tomography is used to fully determine the charge state of the domain walls, which is shown by correlated SPM to be a significant factor for quantitative investigations of their electronic transport properties. Simulations of current injection are employed in conjunction with the new experimental techniques, underlining the importance of considering domain walls not as two-dimensional, but as surfaces with a 3D geometry.

FIB nanostructuring is further utilized in ferromagnetic Fe3Sn2, aiming to stabilize and control magnetic bubbles for future skyrmionic racetrack device applications. Using new plan-view lift-out preparation procedures, FIB is used to tune the sample size and geometry, successfully stabilizing the relevant magnetic phases by geometric confinement. A concept for a new skyrmionic racetrack memory device is presented along with first experimental steps toward its realization, using FIB nanostructuring to prepare prototype Fe3Sn2 track structures.