Propriétés magnétique et de transport des couches minces et hétérostructures de titanates de terre rare

Magnetic and transport properties of rare-earth titanate thin films and heterostructures

• Auteur / Autrice : Raphaël Aeschlimann
• Direction : Manuel Bibes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/07/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Île de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Marc F. Gabay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wilfrid Prellier, Stefania Pizzini, Cinthia Piamonteze, Ralph Claessen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Wilfrid Prellier, Stefania Pizzini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectrométrie XANES

Gaz d'électrons

Isolants Mott

Oxyde de titane

Terres rares

Mots clés libres

Matériaux corrélés

Oxydes

Hétérostructures

Croissance

Correlated material

Oxides

Heterostructures

Growth

Résumé

Les oxydes de métaux de transitions possèdent une large gamme de fonctionnalités (supraconductivité, magnétisme, ferroélectricité, multiferroicité) découlant de l’interaction d’effets structuraux et de corrélations fortes. De plus, des travaux récents ont mis en lumière une physique propre à leurs interfaces, incluant de la supraconductivité ainsi que de la conductivité classique dans le système bidimensionnel (2DES) créé à l’interface de deux isolants de bande, LaAlO₃ et SrTiO₃. Malgré cela pour couvrir l’immense potentiel des interfaces d’oxydes et leur phases électroniques sans précédent, il est nécessaire de combiner des oxydes plus fortement corrélés. Cette thèse à la croisée des chemins entre la physique des électrons fortement corrélés, du magnétisme et de la spintronique a pour but de combiner les instabilités magnétique et électronique pour créer de nouvelles phases électronique contrôlable par stimulus externe. Pour cela nous nous sommes intéressés à la famille relativement inexplorée des titanates de terres rares dont l’ordre magnétique ferro ou antiferro est contrôlé par la taille de la terre rare. Contrairement aux travaux existants, nous nous somme concentrés sur les membres ferrimagnétiques de la famille et leur intégration dans des 2DES. Cette thèse se développera autour de deux axes principaux. Dans un premier temps nous avons étudié plusieurs membres de la famille des titanates de terres rares sous la forme de couches minces épitaxiées. Nous avons aussi mis en évidence la présence d’une couche morte magnétiquement active à la surface de ces échantillons et expliqué sa présence par une suroxydation des ions titane de la surface. Nous avons aussi étudié la présence inattendue d’un moment orbital porté par le titane dans certains des composés étudiés et l’avons corrélé à leur structure magnétique non-colinéaire en conjonction avec un gradient structural observé en microscopie électronique en transmission. Dans un second temps nous avons combiné DyTiO₃ avec SrTiO₃ pour obtenir une interface conductrice possédant des propriétés de magnetrotransport complexes que nous avons interprété avec l’aide d’un modèle faisant intervenir le couplage spin-orbite ainsi qu’un magnétisme induit.

Transition metal oxides possess a broad range of functionalities (superconductivity, magnetism, ferroelectricity, multiferroicity) stemming from the interplay between structural effects and electronic correlations. Recent work has revealed exciting physics at their interfaces, including conductivity and superconductivity in the two-dimensional electron system (2DES) that forms at the interface between two band insulators, LaAlO₃ and SrTiO₃. However, to embrace the immense potential of oxide interfaces and unveil unprecedented electronic phases, combining insulators with stronger electronic correlations is necessary. At the crossroad between strongly correlated electron physics, magnetism and spintronics, the present thesis project aims to harness electronic and magnetic instabilities in correlated oxides to craft new electronic phases controllable by external stimuli. We investigated rareearth titanates RTiO₃, a relatively unexplored family of Mott insulating perovskites with a crossover between antiferromagnetic and ferromagnetic orders upon changing the rare-earth size. Contrary to most previous works, we focused on ferromagnetic compounds, and their integration in 2DES. The thesis developed along two main axes. First, we explored several members of the rare-earth titanates family in epitaxial thin film form. We highlighted the presence of a magnetically active dead layer at the surface of thin films and established its origin as due to the overoxidation of titanium ions. We also studied the presence of an unexpected orbital moment carried by the titanium in some compounds, and discussed it in the light of the non-collinear spin arrangement promoted by the rare-earth orbital moment and of a structural gradient evidenced by transmission electron microscopy. In a second stage, we combined DyTiO₃ with SrTiO₃ to stabilize a conducting interface with puzzling magnetotransport properties that we interpreted with a model involving spin-orbit coupling as well as induced magnetism.