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Resumen:
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Pequeños cambios a nivel atómico de la estructura, composición o estado electrónico de un material pueden producir sorprendentes efectos macroscópicos. En particular, en óxidos complejos basados en metales de transición, un gran número de fenómenos físicos como transiciones metal-aislante, magnetorresistencia colosal o multiferroicidad son extremadamente sensibles a estas variaciones. Por tanto, para abordar el estudio de sistemas con tales características, técnicas experimentales con capacidad de analizar materiales a escala atómica y en el espacio real se hacen indispensables. La microscopía electrónica de transmisión con barrido combinada con la espectroscopia de pérdida de energía de electrones (EELS) forman una pareja con posibilidades únicas para estos estudios. Estas técnicas han crecido enormemente desde el desarrollo del corrector de aberración esférica en la última década y su alta resolución espacial nos permite ahora estudiar átomos individuales. El uso de estos equipos supone una herramienta única para el estudio de sistemas complejos, más aún cuando la dimensionalidad se reduce a pocos nanómetros como en películas delgadas o interfaces. En estos casos, técnicas de difracción promediadas macroscópicamente pueden no ser suficientemente sensibles a los parámetros que rigen la física relevante y por tanto, la gran sensibilidad espacial de la microscopía electrónica supone una gran ventaja. El objetivo principal de este trabajo será precisamente establecer la conexión entre los mecanismos a nivel atómico y las propiedades físicas de una serie de sistemas basados en óxidos complejos cuidadosamente escogidos. Analizaremos en el espacio real fluctuaciones mínimas, casi por debajo del umbral de detectabilidad, responsables últimas del comportamiento macroscópico.En primer lugar, se ha estudiado como pequeñas concentraciones de vacantes de oxígeno, tanto inducidas mediante irradiación como intrínsecas al material, pueden determinar las propiedades físicas macroscópicas del sistema. Se ha observado cómo procesos de irradiación dan lugar a la formación de una capa de TiO con alto grado cristalino en la superficie de monocristales de TiO2 y como además pueden producir estados metálicos superficiales en un aislante de bandas como es el SrTiO3. Se ha analizado además como la reestructuración electrónica debida a la presencia de vacantes de oxígeno estructurales explica por primera vez el origen electroestático del bloqueo iónico en fronteras de grano de materiales con importantes aplicaciones energéticas. Se ha abordado también el estudio de pequeñas variaciones estructurales, en particular, distorsiones colectivas de la red de oxígeno en heteroestructuras de óxidos complejos y su relación con la aparición de estados físicos inexistentes en los materiales masivos. Se ha encontrado una correlación entre rotaciones del octaedro de oxígenos producidas por tensiones epitaxiales y la estabilización de una fase interfacial ferromagnética y conductora en superredes formadas por óxidos aislantes. Además, se ha extendido este análisis a sistemas más complejos como uniones túnel multiferroicas donde se ha obtenido la configuración de dominios ferroeléctricos midiendo las distorsiones en la red de oxígenos para cada celda unidad. Este estudio muestra una de las primeras observaciones experimentales de una configuración de dominios ferroeléctricos tipo head-to-head en capas ultra-delgadas. Se ha encontrado además la presencia de una carga de apantallamiento confinada a la pared de dominio que genera estados electrónicos accesibles en el interior de la barrera ferroeléctrica, proporcionando los mecanismos para estabilizar un tuneleamiento cuántico resonante.El continuo desarrollo de estas técnicas experimentales hace vislumbrar un futuro prometedor tanto para la ciencia de materiales como para la microscopía electrónica. La exploración a escala atómica de fenómenos físicos aún por desvelar está ahora, más que nunca a nuestro alcance.
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