Efecto del tamaño de grano en coeficientes de transporte bajo campo magnético: efecto hall y magnetorresistencia en películas delgadas de cobre

Abstract

Al reducir las dimensiones de un metal a una escala comparable al camino libre medio electrónico intrínseco, es decir, al camino libre medio de los electrones en un metal monocristalino determinado solamente por la interacción electrón-fonón (38.2 nm en el cobre a 300 K), se observa un aumento en la resistividad, lo cual se conoce como efectos de tamaño. En este trabajo se estudia la influencia del tamaño de grano sobre varios coeficientes de transporte y sus implicancias para los diferentes procesos que originan un aumento en la resistividad. Con este objetivo, se fabricaron cinco películas delgadas de cobre similares entre sí excepto por el tamaño de grano. Se procuró que el tamaño de grano fuera la longitud característica más pequeña del sistema, de forma tal de aislar e identificar fácilmente sus efectos sobre los coeficientes de transporte. Se midió la distribución de tamaños de grano, obteniéndose los siguientes resultados: 8.9±2.6 nm, 9.8±2.5 nm, 20.2±5.7 nm, 31.5±6.6 nm y 34.7±8.5 nm. Se midió el espesor de cada muestra, dando como resultado un espesor aproximado de 65 nm para todas las muestras. Para cada muestra se midió la resistencia en función de la temperatura desde 5 K hasta 290 K. En concordancia con numerosos estudios anteriores, se encontró un aumento considerable en la resistividad con la disminución del tamaño de grano. Para cada muestra se realizó una medición de efecto Hall. Se calculó la movilidad de Hall de cada muestra con el objetivo de determinar el mecanismo de colisión predominante del sistema. Se encontró que la movilidad de Hall crece linealmente con el tamaño de grano, fenómeno que indica que el mecanismo de colisión predominante en el sistema es el scattering electrón-borde de grano. Se midió además la constante de Hall, para la cual no se encontraron efectos de tamaño significativos. Para cada muestra se midió la magnetorresistencia con el objetivo de identificar la existencia de contribuciones al aumento de la resistividad atribuibles al desorden del sistema. Las muestras con tamaño de grano 8.9 nm y 9.8 nm presentan el peak característico de magnetorresistencia negativa que indica la presencia de localización débil de Anderson. La muestra con tamaño de grano 20.2 nm presenta un régimen mixto entre magnetorresistencia positiva y negativa, por lo cual se considera dicho tamaño de grano como el límite en que los efectos de localización adquieren relevancia. Las muestras con tamaños de grano 31.5 nm y 34.7 nm presentan magnetorresistencia positiva, lo cual indica que el efecto del desorden no es significativo a dicha escala de tamaño. Se realizó un ajuste de los datos de magnetorresistencia de las muestras de tamaño de grano 8.9 nm, 9.8 nm y 20.2 nm a la teoría de Hikami, la cual ajusta de buena manera y arroja longitudes de coherencia de fase consistentes con el fenómeno observado.