Etude des propriétés physiques des films de Fe3O4 et de la polarisation en spin à l'interface Fe3O4/gamma-Al2O3

Physical properties of epitaxial Fe3O4 thin film and spin polarization at the Fe3O4/gamma-Al2O3 interface

• Auteur / Autrice : Alexandre Bataille
• Direction : Martine Gautier-Soyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Epitaxie

Parois d'antiphase

Transition de Verwey

Photoémission résolue en spin

Jonctions tunnel magnétiques

Résumé

La magnétite Fe3O4 est un matériau prometteur pour l'électronique de spin, puisque des calculs de structure de bande la prédisent demi-métallique, c'est à dire totalement polarisée en spin au niveau de Fermi. Nous avons fait croître des films minces de Fe3O4 de 3 à 50 nm d'épaisseur sur γ-Al2O3 par épitaxie par jets moléculaires. Les films sont monocristallins mais présentent un grand nombre de parois d'antiphase qui sont responsables des anomalies magnétiques observées. Nous avons reproduit le comportement magnétique des films à l'aide d'un modèle unidimensionnel et confronté les résultats avec la taille caractéristique des parois mesurée par une analyse fractale. Nous avons d'autre part étudié la transition de Verwey des films minces; les effets de taille finie font disparaître la transition pour les films d'épaisseur inférieure à 20 nm et le magnétisme de tous les films présente des effets de dynamique lente. Nous avons de plus mis au point une méthode de dépôt de couches minces de γ-Al2O3 épitaxiée sur les films de Fe3O4, en contrôlant la stoechiométrie à l'interface entre oxydes. Les films de γ-Al2O3 d'épaisseur supérieure à 2 nm présentent toutes les propriétés requises pour une barrière tunnel (continuité électrique, découplage magnétique entre les électrodes). Nous avons enfin étudié la polarisation en spin à l'inierface Fe3O4/ γ-Al2O3 par deux méthodes distinctes: les mesures directes par photoémission résolue en spin conduisent à une polarisation en spin de -40% tandis que l'on mesure une magnétorésistancc tunnel de +3% à température ambiante pour les jonctions tunnel Fe3O4/ γ-Al2O3/Co.

Magnetite Fe3O4 is a promising material for spintronics since band structure calculations predict it to be half-metallic, i. E. Fully spin-polarised at the Fermi level. One thus expects large magnetoresistance in magnetic tunnel junctions using Fe3O4 as electrode. We have grown 3 to 50 nm-thick Fe3O4 thin films onto γ-Al2O3 by molecular beam epitaxy. The films are single crystalline but comprise a large number of antiphase boundaries which are responsible for the magnetic anomalies of Fe3O4 thin films. We have qualitatively reproduced the magnetic behavior of our samples with a one-dimensionnal model, and compared the results with the characteristic size of the antiphase boundaries measured by a fractal analysis. We also studied the Verwey transitions of our thin films. The transition is not seen for thicknesses below 20 nm because of finite size effects and all samples show slow magnetization dynamics. We have also developed a growth method allowing us to deposit γ-Al2O3 epitaxially onto Fe3O4, and to control the stoichiometry at the interface. γ-Al2O3 thin films of thicknesses greater than 2 nm exhibit all the characteristics required for a tunnel barrier (electrical continuity, magnetic decoupling). We finally studied the spin polarization at the Fe3O4/γ-Al2O3 interface by too distinct methods. Direct measurements by spin resolved photoemission yields to -40 % for the spin polarization whereas the tunnel magnetoresistance is +3\% at room temperature for Fe3O4/ γ-Al2O3/Co.