| Data: |
2025 |
| Resum: |
Aquesta tesi presenta l'estudi dels efectes magneto-iònics en micro i nanoestructures controlades per electròlits basades en òxid de Ni-Co, com a estratègia rellevant per examinar les seves propietats magnètiques amb camps elèctrics. Aquest enfocament contribueix a minimitzar l'ús de corrents elèctrics en la recerca de nous dispositius espintrònics i memòries magnetoelèctriques eficients energèticament, que satisfacin les enormes demandes energètiques de la societat del segle XXI. Introduïda per primera vegada el 2014, la magneto-iònica és un mecanisme potencial per a la implementació de futurs dispositius de memòria magnètica, ja que permet un control no volàtil i de baixa potència del magnetisme mitjançant l'ús de voltatge per moure ions (com O2- o H+) dins d'un material. A més, eliminar el Pt a les unions túnel magnètiques és vital, ja que els metalls del grup del platí es consideren matèries primeres crítiques. En aquest sentit, les piles multicapa magneto-iòniques de Co/Ni controlades per voltatge sense Pt estan destinades a ser nínxols de mercat clau per al desenvolupament de dispositius d'emmagatzematge de dades magnètiques de baixa potència, com les futures MRAM. Hem investigat dos tipus de sistemes d'òxid de Ni-Co: un consistent en discs densos de mida micromètrica, i l'altre dissenyat amb una relació superfície-volum (S/V) ultra alta, és a dir, mesoporositat. En ambdós casos, el Ni-Co es va electrodepositar primer i després es va sotmetre a un recuit en aire per formar els òxids corresponents. Primer, investiguem microdiscs d'òxid de Ni-Co modelats litogràficament per entendre com les variacions en la relació Co/Ni influeixen en la magneto-iònica d'oxigen. Adaptant la composició de Ni (25-50 at. % Ni) als discs, aconseguim una commutació magnètica OFF-ON-OFF totalment reversible impulsada per camps elèctrics. Les geometries modelades serveixen com a prova de concepte per a la miniaturització de dispositius, mantenint comportaments clau com la commutació ferromagnètica no volàtil i la magneto-iònica dependents de la composició. Els càlculs DFT Ab initio revelen que les diferències en les barreres energètiques de migració d'oxigen (1. 24 eV per a CoO vs. 2. 17 eV per a NiO) expliquen els voltatges de commutació dependents de la composició. Això emfasitza el paper crític del contingut de Ni en la dificultat per a la mobilitat de l'oxigen. En segon lloc, explorem com la mesoporositat millora el rendiment magneto-iònic. Les pel·lícules d'òxid de Ni-Co mesoporoses (55% at. Ni), fabricades mitjançant electrodeposició assistida per micel·les, seguida de recuit en aire, presenten una resposta magnètica impulsada per voltatge significativament millorada en comparació amb les seves homòlogues denses. L'estructura porosa augmenta la superfície accessible i proporciona canals interconnectats per a la migració d'ions, reduint les barreres de difusió i permetent una commutació redox més ràpida i eficient energèticament. D'altra banda, aquesta tesi també explora la possibilitat de desenvolupar arquitectures multicapa, amb propietats magnètiques ajustables per camp elèctric. Estructures multicapa basades en [Co/Ni], dissenyades per a l'acoblament magnètic entre capes controlat per voltatge, demostren transicions reversibles a temperatura ambient entre estats antiferromagnètics i ferrimagnètics sota l'acció d'un electròlit líquid. La modulació impulsada per voltatge, de l'acoblament d'intercanvi RKKY, sorgeix de la migració controlada d'oxigen. Això permet l'ajustabilitat post-síntesi dels estats magnètics, i revela comportaments de transició addicionals rellevants per als dispositius espintrònics. En conjunt, aquests tres estudis que orbiten al voltant del sistema Ni-Co proporcionen una comprensió completa de com la geometria, la composició i l'arquitectura dels materials es poden ajustar a voluntat per adaptar les respostes magneto-iòniques, per a futurs dispositius magnètics reconfigurables i energèticament eficients. |
| Resum: |
Esta tesis reporta el estudio de los efectos magneto-iónicos en micro y nanoestructuras controladas por electrolitos basadas en óxido de Ni-Co, como una estrategia relevante para examinar sus propiedades magnéticas mediante campos eléctricos. Este enfoque contribuye a minimizar el uso de corrientes eléctricas, en la búsqueda de nuevos dispositivos espintrónicos y memorias magnetoeléctricas energéticamente eficientes, que satisfagan las enormes demandas energéticas de la sociedad del siglo XXI. Introducida por primera vez en 2014, la magneto-iónica es un mecanismo potencial para la implementación de futuros dispositivos de memoria magnética, ya que permite el control no volátil del magnetismo de bajo consumo energético mediante el uso de voltaje para mover iones (como O2- o H+) dentro de un material. Además, la eliminación del Pt en las uniones túnel magnéticas es vital, ya que los metales del grupo del platino se consideran materias primas críticas. En este sentido, las multicapas magneto-iónicas de Co/Ni controladas por voltaje y sin Pt se perfilan como nichos de mercado clave para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos de bajo consumo, como las futuras MRAM. Hemos investigado dos tipos de sistemas de óxido de Ni-Co: uno con patrones en forma de discos densos de tamaño micrométrico, y el otro diseñado con una relación superficie-volumen (S/V) ultra alta, es decir, mesoporosidad. En ambos casos, el Ni-Co se electrodepositó primero y luego se sometió a recocido en aire para formar los óxidos correspondientes. En primer lugar, investigamos microdiscos de óxido de Ni-Co con patrones litografiados, para comprender cómo las variaciones en la relación Co/Ni influyen en la magneto-iónica del oxígeno. Al adaptar la composición de Ni (25-50% at. Ni) en los discos, logramos una transición magnética de OFF-ON-OFF totalmente reversible, inducida por campos eléctricos. Las geometrías con patrones sirven como prueba de concepto para la miniaturización de dispositivos, al conservar comportamientos clave como la transición ferromagnética no volátil y la magneto-iónica dependiente de la composición. Los cálculos DFT Ab initio revelan que las diferencias en las barreras energéticas de migración de oxígeno (1. 24 eV para CoO frente a 2. 17 eV para NiO) explican los voltajes de conmutación dependientes de la composición. Esto destaca el papel crucial del contenido de Ni sobre la limitación en la movilidad del oxígeno. En segundo lugar, exploramos cómo la mesoporosidad mejora el rendimiento magneto-iónico. Las películas de óxido de Ni-Co mesoporoso (55 % at. Ni), fabricadas mediante electrodeposición asistida por micelas, seguida de recocido en aire, presentan una respuesta magnética impulsada por voltaje significativamente mejorada, en contrapartida a capas densas comparables. La estructura porosa aumenta la superficie accesible y proporciona canales interconectados para la migración de iones, lo que reduce las barreras de difusión y permite una reacción redox más rápida y energéticamente eficiente. Por otro lado, esta tesis también explora la posibilidad de desarrollar arquitecturas multicapa para propiedades magnéticas ajustables por campo eléctrico. Las estructuras metálicas de [Co/Ni] en forma de multicapa, diseñadas para el acoplamiento magnético entre capas controlado por voltaje, demuestran transiciones reversibles a temperatura ambiente entre estados antiferromagnéticos y ferromagnéticos bajo la activación con electrolito líquido. La modulación del acoplamiento de intercambio RKKY, impulsada por voltaje, surge de la migración controlada de oxígeno. Esto permite la transición de estados magnéticos posterior a la síntesis, y revela comportamientos de transición adicionales relevantes para los dispositivos espintrónicos. En conjunto, estos tres estudios, centrados en el sistema Ni-Co, proporcionan una comprensión integral de cómo la geometría, la composición y la arquitectura del material pueden ajustarse a voluntad para adaptar las respuestas magneto-iónicas, para futuros dispositivos magnéticos energéticamente eficientes y reconfigurables. |
| Resum: |
This Thesis reports on the study of magneto-ionic effects in electrolyte-gated micro and nanostructures based on Ni-Co oxide, as a relevant strategy to control their magnetic properties with electric fields. This approach contributes to minimizing the use of electric currents at the quest for novel energy-efficient spintronic devices and magnetoelectric memories, which live up to the massive energetic demands of the 21st century's society. First introduced in 2014, magneto-ionics is a potential mechanism for the implementation of future magnetic memory devices, because it enables low-power, nonvolatile control of magnetism by using voltage to move ions (like O2- or H+) within a material. Moreover, getting rid of Pt in Magnetic Tunnel Junctions is vital, as Platinum Group Metals are considered Critical Raw Materials. In this sense, Pt-free voltage-controlled magneto-ionic Co/Ni multilayer stacks are meant to be key market-niches for the development of low-power magnetic data storage devices, like future MRAMs. On the one hand, we have investigated two types of Ni-Co oxide systems: one patterned in the form of dense, micron-sized disks, and the other engineered with an ultra-high surface-to-volume ratio (S/V), i. e. , mesoporosity. In both cases, Ni-Co was first electrodeposited and then subjected to annealing in air to form the corresponding oxides. First, we investigate lithographically patterned Ni-Co oxide microdisks to understand how variations in the Co/Ni ratio influence oxygen magneto-ionics. By tailoring the Ni composition (25-50 at. % Ni) in the disks, we achieve fully reversible OFF-ON-OFF magnetic switching driven by electric fields. Patterned geometries serve as a proof of concept for device miniaturization, by retaining key behaviors like nonvolatile ferromagnetic switching and composition-dependent magneto-ionics. Ab initio DFT calculations reveal that differences in oxygen migration energy barriers (1. 24 eV for CoO vs. 2. 17 eV for NiO) account for the composition-dependent switching voltages. This emphasizes the critical role of Ni content over hindering oxygen mobility. Second, we explore how mesoporosity enhances magneto-ionic performance. Mesoporous Ni-Co oxide films (55 at. % Ni), fabricated via micelle-assisted electrodeposition, followed by air-annealing, exhibit significantly improved voltage-driven magnetic response compared to dense counterparts. The porous structure increases the accessible surface area and provides interconnected channels for ion migration, reducing diffusion barriers and enabling faster, more energy-efficient redox switching. On the other hand, this Thesis also explores the possibility for developing multistack architectures, for electric-field tunable magnetic properties. Metallic [Co/Ni]-based multistack sputtered structures, engineered for voltage-controlled interlayer magnetic coupling, demonstrate reversible, room-temperature transitions between antiferromagnetic and ferrimagnetic states under liquid-electrolyte gating. The voltage-driven modulation of RKKY exchange coupling arises from controlled oxygen migration. This enables post-synthesis tunability of magnetic states and unlocks additional switching behaviors relevant for spintronic devices. Altogether, these three studies hinged around the Ni-Co system provide a comprehensive understanding of how geometry, composition, and architecture can be tuned at will to tailor magneto-ionic responses, for future energy-efficient and reconfigurable magnetic devices. |
| Resum: |
Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials. |
| Drets: |
Aquest document està subjecte a una llicència d'ús Creative Commons. Es permet la reproducció total o parcial, la distribució, la comunicació pública de l'obra i la creació d'obres derivades, sempre i quan aquestes es distribueixin sota la mateixa llicència que regula l'obra original i es reconegui l'autoria.  |
| Llengua: |
Anglès |
| Document: |
Tesi doctoral ; Text ; Versió publicada |
| Matèria: |
Magneto-iònica ;
Magneto-ionics ;
Magneto-iónica ;
Níquel-cobalt ;
Nickel-cobalt ;
Níquel-cobalto ;
Electrodeposició ;
Electrodeposition ;
Electrodeposición ;
Ciències Experimentals |
visitant ::
identificació
