Spintronique et Epitaxie

Le développement de matériaux appropriés pour l’injection polarisée en spin dans les semi-conducteurs du groupe IV constitue une étape clé vers la pleine intégration des dispositifs spintroniques dans la technologie des semi-conducteurs. Cette approche se présente comme l’alternative la plus prometteuse aux semiconducteurs magnétiques dilués (DMS) à base de Si ou Ge dont les températures de Curie (T_C) restent très inférieures à 300K.

Nous avons montré que l’alliage intermétallique ferromagnétique (FM) Mn₅Ge₃ peut être synthétisé en épitaxie directement sur Ge(111) avec une faible densité de dislocations (<10⁴.cm^-2, cf. figure 1). L’efficacité de l’injection d’un courant polarisé en spin par effet tunnel à travers la barrière de Schottky formée à l’interface entre un métal ferromagnétique et un semiconducteur repose sur une très grande qualité cristalline de l’hétérostructure et une interface abrupte. Nous avons donc développé différentes techniques de croissance (diffusives et non-diffusives) pour synthétiser par épitaxie par jets moléculaires (MBE) l’hétérostructure Mn₅Ge₃/Ge. L’étude des propriétés structurales par RHEED, DRX, TEM et AFM révèle une excellente qualité cristalline et une interface abrupte à l’échelle atomique, rendant ce système propice à l’injection électrique.

La température de Curie limitée du Mn₅Ge₃ (296 K) est un frein à son utilisation dans des dispositifs. Nous avons montré que l’incorporation d’une faible quantité de C permet de maintenir l’ordre ferromagnétique jusqu’à 430 K. Les résultats de nos études expérimentales montrent pour la première fois que les atomes de C se situent dans les sites octaédriques de la maille de Mn₅Ge₃ comme le montre la figure 2.

Par des caractérisations magnétiques complémentaires (SQUID, VSM, FMR, RMN, MFM…) et des études de micromagnétisme par OOMMF, nous avons montré que ce matériau présente une anisotropie uniaxiale modérée conduisant à la présence d’une épaisseur critique au-dessus de laquelle le film se structure en domaines magnétiques en ruban avec une aimantation hors-du-plan (figure 3).

Nous avons déterminé la hauteur et la largeur de la barrière de Schottky et montré que ces valeurs peuvent être modulées par δ-dopage du Ge près de l’interface Mn₅Ge₃/Ge. Fort de ces résultats, nous travaillons avec l’AIST (Tsukuba, Japon) afin de réaliser une injection polarisée en spin dans Ge dans des structures latérales et des vannes de spin verticales.

Les matériaux antiferromagnétiques (AF) sont magnétiques à l'échelle atomique et non magnétiques à l'échelle macroscopique. Il en résulte une robustesse aux champs magnétiques parasites et une absence de champs de fuite qui, en addition à une dynamique rapide (dans les THz), les rend uniques pour résoudre d'importants problèmes dans le domaine des TIC d'aujourd'hui (stockage d’information, cybersécurité, vitesse d’opérations des dispositifs… ).

Parmi eux, le composé Mn₅Si₃ est particulièrement intéressant car présentant une transition de phase métamagnétique entre deux structures de spins ordonnées chirale en dessous de 65K et colinéaire au-dessus (figure 4). Fait remarquable, son équivalent isostructural Mn₅Si₃C_x est ferromagnétique. Le composé Mn₅Si₃ se présente donc comme une structure modèle pour identifier et exploiter de nouveaux mécanismes de transport dans les matériaux antiferromagnétiques (AF) complexes.

Les semi-conducteurs dilués (DMS) obtenus par incorporation d’un élément magnétique dans la matrice semi-conductrice permettraient d’allier stockage et manipulation de l’information dans les filières actuelles de la microélectronique. Nous nous intéressons plus particulièrement à la croissance et aux propriétés magnétiques de DMS à base de Ge et Mn.

Les premières étapes de croissance de Mn sur Ge(001) ont montré la présence de sites d’adsorption privilégiés pour les atomes de Mn qui réagissent avec le Ge pour former un alliage (voir figure 5) et une très forte diffusion de surface, même pour des températures aussi faibles que 80°C. Ces résultats corroborent les nombreuses études faisant état de la difficulté d'obtenir des films minces de DMS Ge_(1-x)Mn_x en codéposant Mn et Ge sur le Ge(001). Les températures de Curie (T_C) restent limitées par la faible solubilité de Mn dans Ge (T_C <150K pour une concentration maximale de 2-3% de Mn dans les films minces).

Les interfaces hybrides organiques/inorganiques pourraient ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs électroniques multifonctionnels conçus chimiquement, en particulier dans le domaine de la spintronique où, par exemple, la polarisation interfaciale du spin peut être ajustée par des interactions chimiques et des modifications de surface. Dans ce travail pionnier, nous avons étudié la formation de monocouches auto-assemblées sur la surface de Mn₅Ge₃.

Les premières étapes ont ainsi montré la faisabilité de la fonctionalisation de la surface de Mn₅Ge₃ par des molécules d'octanethiol (figure 6).