Santos, Marcos Vinicius Puydinger dos, 1987, Diniz, José Alexandre, 1964, Béron, Fanny, 1980, Sinnecker, João Paulo, Teixeira, Ricardo Cotrin, Pirota, Kleber Roberto, Riul Júnior, Antonio, Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, and UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Orientadores: José Alexandre Diniz, Fanny Béron Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação Resumo: Ao longo dos últimos 60 anos, a área ocupada por bits magnéticos em dispositivos de armazenamento reduziu em aproximadamente 9 ordens de magnitude. Atualmente, ela é tão reduzida que as tecnologias necessárias para os processos de leitura e escrita com razoáveis relação sinal-ruído e reprodutibilidade estão atingindo limites fundamentais, e, consequentemente, tornando o processo muito caro e de difícil execução. Portanto, a indústria de armazenamento de dados tem realizando grande empenho no desenvolvimento de novos conceitos para armazenamento de grandes volumes de memória de dados de uso infrequente, combinando, assim, o melhor de dois cenários: baixo custo, baixa volatilidade e alta densidade de armazenamento (como em discos rígidos); robusto e de rápido acesso (como em memórias do tipo Random Access Memory, RAM). Nesse sentido, um grande número de alternativas foi recentemente sugerido, incluindo dispositivos baseados em spintrônica, tais como a memória denominada racetrack memory. Esse dispositivo de estado sólido baseado em nanofios não possui partes móveis, tampouco requer a aplicação de campos magnéticos externos para os processos de escrita ou leitura de dados. A ca-pacidade de armazenamento e a taxa de transferência de dados são superiores em comparação com discos rígidos convencionais. Entretanto, essa tecnologia irá requerer ferramentas do tipo top-down de corrosão, deposição e litografia mais complexas e caras, assim limitando seu nicho de usuários. Alternativamente, abordagens do tipo bottom-up - nos quais nanofios são previamente sintetizados por via física ou química e, posteriormente, montados em dispositivos integrados - têm sido implementadas nos últimos anos em protótipos como alternativa para redução de custos. Nessa perspectiva, a dieletroforese (DEF) representa uma técnica adequada para o alinhamento e deposição de nanofios de maneira simultânea sobre eletrodos previamente definidos em larga escala, permitindo a deposição em um único passo. Todavia, experimentos de DEF utilizando nanofios ferromagnéticos de níquel apresentaram um rendimento relativamente baixo, inviabilizando a aplicação dessa técnica em escala industrial e tornando-a interessante apenas para a construção de protótipos. Por outro lado, outras técnicas de deposição baseados em escrita direta sem a necessidade de mascaras, tais como a deposição induzida por feixe de elétrons (FEBID), também permitem a definição de nanofios, além de representar uma vantagem sobre os processos convencionais de litografia de múltiplas etapas. Não obstante, depósitos metálicos feitos por FEBID tipicamente contêm resíduos da dissociação incompleta de moléculas do precursor organometálico ou da co-deposição de seus fragmentos orgânicos. Isso degrada as propriedades de transporte elétrico dos depósitos, assim limitando a aplicabilidade da maioria dos materiais depositados por FEBID. Neste trabalho, entretanto, foi desenvolvido um método inovador e altamente reprodutível de purificação in situ de materiais previamente depositados por FEBID, sendo baseado em sinterização pós-deposição em vácuo. As propriedades de transporte elétrico dos depósitos podem ser ajustadas para valores próximos do metal puro. Além disso, foram observadas melhorias das pro-priedades de transporte magneto-elétrico. Os valores superiores de magnetorresistência obtidos para o cobalto e ligas de ferro-cobalto (1 ordem de grandeza em relação a inúmeros trabalhos já publicados) mostraram-se vantajosos para aplicações tais como memória e armazenamento magnéticos de alta performance, além de sistemas avançados de varredura por sonda e memristors ferroelétricos de junção tipo túnel. Em suma, esta tese está focada no estudo das presentes limitações que envolvem a densi-dade de armazenamento de dados dos atuais dispositivos e propõe alternativas de fabricação viá-veis de única etapa e sem a necessidade de uso de litografia e máscaras, que podem ser utilizadas para diretamente definir nanofios ferromagnéticos como elementos de memória e armazenamento magnéticos. Ambas as técnicas DEF e FEBID podem ser pensadas como alternativas para esse propósito. Por um lado, a DEF cobre dimensões em larga escala, embora com baixo rendimento, enquanto o alto rendimento da técnica FEBID, em combinação com a automatização no sentido de fabricar em larga escala (como na DEF), torna esta uma técnica de fabricação adequada para a futura indústria de dispositivos de memória e armazenamento magnéticos Abstract: Over the past 60 years, the area occupied by magnetic bits has decreased in size by about nine orders of magnitude. Nowadays, it is so tiny that the technologies needed to read and write bits with a reasonable signal-to-noise ratio and reliability are reaching fundamental limits that are difficult or too expensive to overcome. Therefore, the information storage industry is presently making large efforts to develop new concepts for storing large volumes of infrequently accessed data memory that combine the best of both worlds: cheap, non-volatile, high-density information storage, as in hard disk drives, and robust, fast access, as in random access memories (RAMs). In this sense, a number of alternatives have been recently suggested, which include spintronic-based devices, like the nanowire-based racetrack memory (or so-called domain-wall memory, DWM). This nanowire-based solid-state device has no moving parts and does not require any external magnetic field for storing/reading data. The data capacity and transfer rates are expected to be superior to those in hard disk drivers. Nevertheless, this technology will require more complex and expensive multistep top-down corrosion, deposition and lithography fabrication tools, thus limiting the target customers. Alternatively, bottom-up approaches - in which nanowires can be first chemically/physically synthesized and then self-assembled to yield a given target integrated layout - have been recently implemented in prototypes as alternatives to reduce fabrication costs. In this per-spective, dielectrophoresis (DEP) represents a technique that meets the requirements for nan-owires alignment and deposition onto predefined electrodes in the wafer-scale area, which allows simultaneous deposition in a single step. However, DEP experiments carried out using ferromagnetic nickel nanowires showed a relatively low yield that impairs its applicability in industrial scale, thus being limited for prototyping purposes. On the other hand, other maskless direct-write deposition techniques, like focused-electron-beam-induced deposition (FEBID), allow definition of nanowires and also represent an advantage over multistep conventional resist lift-off lithography. Nevertheless, nanoscale metal deposits directly written by FEBID typically contain residues from the incomplete dissociation of the organometallic precursor adsorbate molecules or from codeposition of their nonvolatile organic ligand fragments. This impairs the electrical transport properties of the deposits, which naturally limits the applicability of FEBID materials, constraining the otherwise powerful maskless synthesis paradigm. In this work, however, a novel and highly reproducible in-situ purification mechanism of FEBID materials - based on postgrowth annealing under vacuum - is presented. The electric transport properties of the deposits can be tuned to values close to pure metal. Furthermore, magneto-electric transport properties enhancement is observed. The superior magnetoresistance of cobalt and iron-cobalt deposits (about 1 order of magnitude compared to literature) can be advantageous over the numerous works already published for applications such as high-performance magnetic storage and memory, as well as advanced scanning-probe systems and ferroelectric tunnel junction memristors. In summary, the focus of this thesis was the investigation of the present limitations beyond the storage area densities of storage industry, thus proposing viable single-step maskless fabrication alternatives that could be used to directly define ferromagnetic nanowires as elements for data storage and memory. Both DEP and FEBID techniques can be though as alternatives to this purpose. While DEP experiments cover the wafer-scale dimension, although with low yield, the high yield of FEBID in combination with the possibility of automatization towards fabrication in the wafer-scale, like DEP process, makes it an adequate tool for fabrication of elements for future data storage and memory devices Doutorado Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica Doutor em Engenharia Elétrica CNPQ 200864/2015-7 CAPES FAPESP