Fabricação e caracterização de filmes finos de MoS2 para aplicações em spintrônica

Abstract

A busca por novos materiais com diferentes propriedades constitui uma área em constante evolução na física de materiais. Um campo de estudos que vêm ganhando destaque nos últimos anos é a formação de heteroestruturas magnéticas de materiais em escala nanométrica que apresentam alto potencial de aplicação em diferentes áreas do conhecimento. Recentemente, materiais incluídos no grupo dos Dicalcogenetos de Metais de Transição (TMD's) se mostraram interessantes para a produção de materiais bidimensionais (2D) e tem sido uma alternativa para aplicações no campo de nanodispositivos eletrônicos e spintrônica. Dentro deste cenário, o dissulfeto de molibdênio (MoS») se destaca por possuir excelentes propriedades de spin, como acoplamento spin-órbita intrínseco. No entanto, métodos de fabricação que permitam obter filmes finos de MoS> em grandes áreas de maneira escalável ainda é um desafio. Deste modo, o presente trabalho dedicou-se a estudar a fabricação e caracterização de filmes finos de dissulfeto de molibdênio (MoS>) e de nanoestruturas hibridas magnéticas baseadas em MosS» através do método de sputtering. Os filmes finos de MoS> foram crescidos em substrato de S1/S10> com o propósito de entender a correlação entre os parâmetros de deposição e as propriedades microestruturais, cristalinas, morfológicas e elétricas das amostras depositadas. Para investigar e obter estas Informações diferentes técnicas de caracterização foram utilizadas. Os resultados de microscopia de força atômica (AFM) e microscopia eletrônica de varredura (SEM) mostraram que os filmes finos de MoS» crescidos a temperatura ambiente apresentam morfologia granular e homogênea, porém não possuem boa qualidade, sendo utilizados apenas nos estudos de taxa de deposição. Já os filmes crescidos a altas temperaturas (> 500 ºC) apresentam morfologia complexa com estruturas finas e alongadas formadas em toda a superficie, porém com sua composição química respeitando a estequiometria esperada, o que foi confirmado com medidas de espectroscopia de energia dispersiva por raios-X (EDS). Além disso, com a difração de raios-X (DRX), observou-se que esses filmes possuem uma orientação preferencial de crescimento no plano (002). Pela análise Raman verificou-se que os filmes finos de MoS» apresentam duas fases distintas (IT e 2H), mas coexistentes. Em uma etapa seguinte fabricou-se nanoestruturas hibridas magnéticas com os filmes de MoS;» sendo depositados por sputtering sobre um material ferrimagnético isolante (granada de ferro e ítrio) e posterior recobrimento com platina, formando a heteroestrutura YIG/MoS>/Pt, com o objetivo de investigar o transporte de spin no TMD. Por sua vez, imagens de microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HR TEM) foram realizadas e evidenciaram algumas imperfeições na interface entre YIG e MoS;» que podem estar associadas à afinidade quimica entre esses dois materiais. Apesar disso, os mapas elementares obtidos por meio de EDS de profundidade revelaram um comportamento uniforme e bem definido das composições químicas entre as camadas. Medidas de transporte foram realizadas e mostraram que uma bicamada Ti (5 nm)/Ag (50 nm) é uma boa alternativa de contato elétrico em filmes finos de MoS», pois apresenta comportamento ôhmico. Finalmente, estudamos a conversão de corrente de spin para corrente de carga em uma bicamada composta de um filme fino de MoS> acoplado a um filme de Py (permalloy) à temperatura ambiente, através do bombeamento de corrente de spin por meio da técnica de ressonância ferromagnética (FMR). Palavras-chave: Filmes finos. Dissulfeto de molibdênio. Nanoestruturas hibridas magnéticas. Spintrônica.

The search for new materials with different properties 1s an area 1n constant evolution 1n the physics ofmaterials. A field of study that has gaimned prominence 1n recent years 1s the formation of magnetic heterostructures of materials on a nanometric scale that have high potential for application im different areas of knowledge. Recently, materials included m the group of Transition Metal Dichalcogenides (TMD's) have been recognized as essentially two- dimensional (2D) materials and have been an alternative for applications mn the field of electronic nanodevices and spintronics. Within this scenario, molybdenum disulfide (MoS2) stands out for having excellent spin properties, such as intrinsic spin-orbit coupling. However, fabrication methods that obtamn MoSa» thin films over large areas in a scalable manner 1s still a challenge. Thus, the present work was completed by studying the fabrication and characterization of molybdenum disulfide (MoS>) thin films and magnetic hybrid nanostructures conducted in MosS; through the sputtering method. MoS;» thin films were grown on 81/8102 substrates with the purpose of understanding the translation between the deposition parameters and the microstructural, crystallne, morphological and electrical properties of the deposited exposures. To investigate and obtam this information, different characterization techniques were used. The results of atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) show that the thin films of MoS» survived at room temperature, have granular morphology and visible, but do not have good chemical composition, being used only 1n studies of rate of deposition. On the other hand, the happy films at high temperatures (> 500 ºC) present a complex morphology with thin and elongated structures formed all over the surface, but with their chemical composition respecting the expected stoichiometry, which was confirmed with measurements of energy dispersive spectroscopy by X-ray (EDS). Furthermore, with X-ray diffraction (XRD), it was observed that these films have a preferential growth orientation 1n the plane (002). By Raman analysis 1t was supported that the MoS» thin films present two distinct phases (1T and 2H), but coexisting. In a next step, hybrid magnetic nanostructures were manufactured with MoS> films being deposited by sputterng on an insulating ferrimagnetic material (iron garnet and yttrium) and subsequent coating with platinum, forming the YIG/MoS»/Pt heterostructure, with the aim of investigate spin transport mn TMD. In tum, high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images were performed and showed some imperfections in the interface between YIG and MoS» that may be related to chemicals between these two materials. Despite this, the elemental maps obtained through depth EDS revealed a uniform and well-defined behavior of the chemical compositions among the competitors. Transport measurements were carried out and 1t was observed that a Ti (5 nm)/Ag (50 nm) bilayer presents ohmic behavior and 1s a good alternative for electrical contact in MosSa thin films. Finally, we studied the conversion of spin current to charge current 1n a bilayer composed of a MoS» thin film coupled to a Py (permalloy) film at room temperature, by pumping a spin current using the ferromagnetic resonance technique (FMR). Keywords: Thin films. Molybdenum disulfide. Magnetic hybrid nanostructures. Spintronics.