Boosting magneto-ionic effects in Co-oxide films by electrolyte-gating

Abstract

Aquesta tesi té com a objectiu millorar la migració d’ions oxigen i els efectes magneto-iònics concomitants en pel·lícules d’òxid de cobalt paramagnètiques, l’actuació de les quals es duu a terme en un electròlit mitjançant l’aplicació d’un voltatge extern (porta). Aquestes millores s’han dut a terme mitjançant la reducció del gruix de les capes d’òxid de cobalt, la modificació de l’electròlit i el disseny “a la carta” dels defectes a les capes. El control del magnetisme mitjançant voltatge per via magneto-iònica és un tema de recerca d’avantguarda, ja que té el potencial de millorar l’eficiència energètica dels sistemes actuats magnèticament. En magneto-iònica s’aconsegueix manipular les propietats magnètiques del material gràcies a la migració d’ions induïda per voltatge. Tot i això, la migració d’oxigen a temperatura ambient ha demostrat ser massa lenta per a aplicacions rellevants. En aquesta tesi proposem l’ús de diverses estratègies per afavorir el moviment d’ions oxigen en capes d’òxid de cobalt submergides en un electròlit, les quals són actuades externament amb voltatge. La reducció del seu gruix de > 200 nm a 5 nm dona com a resultat transicions ON-OFF de durada inferior a 10 s en capes inicialment paramagnètiques. En aplicar polsos de voltatge, hem demostrat una plasticitat que depèn de la velocitat pic, cosa que constitueix un signe de capacitat d’aprenentatge. Com a segona estratègia, s’han afegit sals al carbonat de propilè (PC) per augmentar la força de la doble capa elèctrica creada a la interfície capa d’òxid de cobalt/electròlit. A la solució de PC amb KI s’ha aconseguit una velocitat magneto-iònica 35 vegades superior a l’observada a l’electròlit de PC sense sals, sota un voltatge aplicat de –1.5 V. Les simulacions de dinàmica molecular ab initio han permès atribuir aquesta ràpida resposta magneto-iònica a la ubicació preferencial d’ions K+ a la superfície de l’òxid de cobalt quan es fa servir KI (en comparació amb KCl). A més, hem demostrat el potencial que té la implantació d’ions a l’hora de crear un perfil definit de densitat de defectes en profunditat per controlar el comportament magneto-iònic de les pel·lícules d’òxid de cobalt. En termes de velocitat i quantitat de magnetització generada, l’activació de voltatge a curt, mitjà i llarg termini s’ha controlat variant el dany per col·lisió generat a través de la fluència d’ions. Aquests resultats converteixen la magneto-iònica en una tecnologia amb potencial per ser implementada en maquinari inspirat en el funcionament del cervell per a computació neuromòrfica.

Esta tesis tiene como objetivo mejorar la migración de iones oxígeno y los efectos magneto-iónicos concomitantes en películas de óxido de cobalto paramagnéticas, cuya actuación se lleva a cabo en un electrolito mediante la aplicación de un voltaje externo (puerta). Estas mejoras se han llevado a cabo mediante la reducción del espesor de las capas de óxido de cobalto, la modificación del electrolito y el diseño “a la carta” de los defectos en las capas. El control del magnetismo mediante voltaje por vía magneto-iónica es un tema de investigación de vanguardia ya que tiene el potencial de mejorar la eficiencia energética de los sistemas actuados magnéticamente. En magneto-iónica se consigue manipular las propiedades magnéticas del material gracias a la migración de iones inducida por voltaje. Sin embargo, la migración de oxígeno a temperatura ambiente ha demostrado ser demasiado lenta para aplicaciones relevantes. En esta tesis proponemos varias estrategias para favorecer el movimiento de iones oxígeno en capas de óxido de cobalto sumergidas en un electrolito que son actuadas externamente con voltaje. La reducción de su espesor de > 200 nm a 5 nm da como resultado transiciones ON-OFF de duración inferior a 10 s en capas inicialmente paramagnéticas. Al aplicar pulsos de voltaje, hemos demostrado una plasticidad dependiente de la velocidad pico, lo que constituye un signo de capacidad de aprendizaje. Como segunda estrategia, se han añadido sales al carbonato de propileno (PC) para aumentar la fuerza de la doble capa eléctrica creada en la interfaz capa de óxido de cobalto / electrolito. En la solución de PC con KI se ha conseguido una velocidad magneto-iónica 35 veces superior a la observada en el electrolito de PC sin sales, bajo un voltaje aplicado de –1.5 V. Las simulaciones de dinámica molecular ab initio han permitido atribuir esta rápida respuesta magneto-iónica a la ubicación preferencial de iones K+ en la superficie del óxido de cobalto cuando se usa KI (en comparación con KCl). Además, hemos demostrado el potencial que tiene la implantación de iones a la hora de crear un perfil definido de densidad de defectos en profundidad para controlar el comportamiento magneto-iónico de las películas de óxido de cobalto. En términos de velocidad y cantidad de magnetización generada, la activación de voltaje a corto, medio y largo plazo se ha controlado variando el daño por colisión generado a través de la fluencia de iones. Estos resultados convierten a la magneto-iónica en una tecnología con potencial para ser implementada en hardware inspirado en el funcionamiento del cerebro para computación neuromórfica.

This Thesis is aimed at boosting oxygen ion motion and the concomitant magneto-ionic effects in electrolyte-gated paramagnetic cobalt oxide (Co-oxide) films using three different approaches: thickness reduction of the Co-oxide films, variation of electrolyte composition, and defect engineering in the films. Voltage control of magnetism (VCM) by magneto-ionics is a cutting-edge research topic since it has the potential to enhance the energy efficiency of magnetically actuated systems. Magneto-ionics is a VCM mechanism in which the magnetic properties of a material are toggled by voltage-driven ion motion. However, room temperature oxygen motion has shown to be too slow for relevant applications. Here we present several approaches to boost oxygen motion by electrolyte-gating. Thickness reduction from > 200 nm down to 5 nm results in sub-10 s ON-OFF transitions in the initially paramagnetic Co-oxide films. By applying voltage pulses, we have shown spike-rate-dependent plasticity, which is a sign of potential learning capabilities. In a second approach, the addition of salts to propylene carbonate (PC) has been used to increase the strength of the electric double layer built at the Co-oxide / electrolyte interface. For KI-containing PC, a 35-fold increase of the magneto-ionic rate has been observed as compared to plain PC, under a low voltage of –1.5 V. Ab initio molecular dynamics simulations attribute this fast magneto-ionic response to the preferential location of K+ ions on the Co-oxide surface when using KI (compared to KCl). Moreover, we have demonstrated the potential of ion implantation to engineer depth-resolved defect density to control the magneto-ionic behavior of Co-oxide films. In terms of rate and amount of generated magnetization, the short-, mid-, and long-term voltage actuation has been controlled by varying the generated collisional damage through ion fluence. These results turn magneto-ionics into a potential technology for brain inspired hardware for neuromorphic computing.