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Design et croissance de matériaux (multi)fonctionnels

L’évolutivité fonctionnelle fait référence à l’addition de nouvelles fonctionnalités dans un système dont on augmente ainsi les capacités à moindre coût. Cette évolutivité peut être « horizontale », lorsque plusieurs entités identiques sont répétées au sein d’un même système, ou « verticale », lorsque plusieurs propriétés différentes sont présentes au sein d’une seule entité. Ainsi, le concept d’évolutivité constitue un défi majeur pour les technologies de l’information, la manipulation et la collection de données, notamment dans le cas de l’électronique de spin. Toutefois, cette évolution vers des systèmes présentant des fonctionnalités multiples requiert la synthèse de nouveaux matériaux ou de nouvelles architectures  pour lesquels la compréhension de la relation structure – propriétés est un enjeu fondamental et un biais technologique important.

 

En amont des nano-dispositifs réalisés par l’équipe, la thématique (Multi)functional material growth & design rassemble les nouvelles stratégies de synthèses, de design et d’étude des propriétés de nouveaux matériaux. Différents exemples d’approches seront alors au cœur de nos futures études :

      -    Nature des composés/composition
      -    Effets de contrainte,
      -    Ingénierie d’interface et de symétrie
      -    Ingénierie de lacunes d’oxygène.

 

Ces approches permettront de façonner les propriétés physiques, faire émerger de nouvelles fonctionnalités et combiner/coupler plusieurs propriétés entre elles (notamment pour des barrières innovantes pour le transport tunnel d’électrons, une compétence forte de l’équipe). Récemment, la volonté de combiner plusieurs fonctionnalités apparaît comme un domaine fertile en science des matériaux.

 

Parmi ces matériaux, les oxydes de métaux de transitions, leur versatilité et leurs multiples propriétés physiques forment une classe de composés avec un fort potentiel d’évolutivité fonctionnelle. Les fortes corrélations électroniques, à travers les interactions entre les différents degrés de liberté de l’électron (spin, orbitale et charge), et le développement de phases ordonnées (ordre de charge/orbitale, polarisation électrique, aimantation) sont les briques élémentaires à l’origine des nombreuses propriétés de ces systèmes. De plus, ceux-ci sont extrêmement sensibles à des excitations externes (électriques, magnétiques, optiques et contraintes). Ainsi, nous nous intéresserons aussi aux oxydes de structure pérovskite (ABO3, A = terres rares ou alkalino-terreux, B = métal de transition 3d, 4d ou 5d) et notamment pour les composés RVO3, on étudiera les interactions spin-orbitale-structure à travers le rôle des contraintes épitaxiales, chimiques et des lacunes d’oxygène (ou centres colorés). Ces derniers seront aussi étudiés dans le cas de barrières tunnel de MgO pour lesquelles nous avons montré le rôle significatif du transport tunnel polarisé en spin. Comprendre l'impact qu'ont ces lacunes d'oxygène sur les phénomènes impliquant du transport tunnel à travers des barrières de MgO est une direction qui sera explorée aussi en s’intéressant au profil de densité, aux types des lacunes dans la barrière. De plus, l’apport des matériaux oxydes aux autres thématiques de l’équipe se manifestera aussi dans le cas des études des phénomènes de manipulation de l’aimantation par Spin Orbit Torque et All Optical Switching. On s’intéressera à l’intégration de couches ultra-minces ferrimagnétiques et isolantes (e.g. Y3Fe5O12) dans différents nano-dispositifs. L’étude de ces systèmes est aujourd’hui une thématique majeure de l’électronique de spin, abordée également dans la thématique Transport dans des systèmes magnétiques.

 

D’autres matériaux intéressants pour l’électronique de spin seront aussi étudiés. Parmi eux, les demi-métaux magnétiques, dont la structure électronique particulière combine un comportement métallique pour les spins majoritaires et isolants pour les spins minoritaires. C’est notamment le cas pour l’alliage d’Heusler Co2MnSi que nous avons caractérisé récemment par photoémission résolue en spin. Nous envisageons donc d’étudier plus largement les alliages d’Heusler en recherchant notamment à obtenir une aimantation perpendiculaire aux couches pour des dispositifs utilisant le Spin Transfer Torque (vanne de spin et jonctions tunnel).

 

La recherche de nouvelles fonctionnalités concernera aussi les matériaux semiconducteurs inorganiques et organiques. Ainsi, on s’intéressera à la détection optique, dans GaAs, Si et Ge, de spins injectés électriquement à partir de films ultrafins de CoFeB/MgO. En particulier, le transport de spin à longue distance dans Si (faible interaction spin-orbite), combiné au contrôle électrique de l’orientation de spin dans SiGe, sera traité. Puis, les matériaux organiques seront étudiés du point de vue de leurs propriétés multifonctionnelles et leurs interactions avec des excitations magnétiques, électrique et optiques.

 

Différentes techniques de dépôts seront employées, adaptées aux matériaux étudiés et combinés : Atomic Layer deposition (ALD), Molecular Beam Epitaxy (MBE), Pulsed Laser Deposition (PLD) et Physical Vapor Deposition (PVD). Toutes sont connectées au tube sous ultravide installé à l’Institut Jean Lamour. La relations structures - propriétés sera caractérisée avec les nombreuses techniques disponibles à l’Institut Jean Lamour et avec les expériences régulièrement menées par les membres de l’équipe sur grands instruments (synchrotron, neutrons).

 

Publications

[1] Localized states in advanced dielectrics from the vantage of spin- and symmetry-polarized tunnelling across MgO.
F. Shleicher et al., Nature Communications 5, 4547 (2014).

[2] Ferroelectric Control of Organic/Ferromagnetic Spinterface.
S.H. Liang et al., Advanced Materials, doi: 10.1002/adma.201603638 (2016).

[3] Interface magnetic anisotropy modified by electric field in epitaxial Fe/MgO(001)/Fe magnetic tunnel junction.
 A. Rajanikanth et al. , Appl. Phys. Lett. 103, 062402 (2013).

[4] Direct evidence for minority spin gap in the Co2MnSi Heusler alloy.

 

 S. Andrieu et al., Phys. Rev. B 93, 094417 (2016).