Élaboration et étude de vannes de spin organiques : vers le transport de spin à température ambiante

Fabrication and study of organic spin valves : towards room temperature spin transport

• Auteur / Autrice : Mathieu Palosse
• Direction : Isabelle Séguy, Jean-François Bobo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanosystèmes
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique organique

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Electronique organique

Magnétisme

Composants

Résumé

L'électronique organique est un domaine de recherche récent en pleine expansion. La plupart des composants de l'électronique classique trouvent à ce jour un équivalent utilisant des matériaux semi-conducteurs organiques (OSCs) : diodes électroluminescents organiques (OLEDs), transistors à effet de champ organiques (OFETs) ou encore cellules photovoltaïques organiques (OPVs). Depuis la réalisation des premières vannes de spin organiques en 2002 et 2004, le domaine de la spintronique organique connaît un certain essor. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, avec pour objectif de fabriquer des vannes de spin organiques et de les étudier afin de mieux comprendre les mécanismes d'injection et de transport de spin dans les OSCs. Les jonctions réalisées sont constituées de deux électrodes ferromagnétiques, dont la polarisation en spin se conserve au delà de la température ambiante, entre lesquelles un film mince de 50 à 200 nm d'un matériau OSC est pris en sandwich. Au cours de cette thèse, plusieurs molécules ont été étudiées, au regard de leurs différentes propriétés électroniques : le tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3), le tétraéthyl pérylène 3, 4, 9, 10-tétracarboxylate (PTCTE) et le benzofurane bithiophène (BF3). Des études morphologiques et structurales ont été réalisées afin de contrôler la qualité des interfaces métal/OSC. Des mesures VSM (Vibrating Sample Magnetometer) ont permis de s'assurer du comportement vanne de spin de nos échantillons de 10 K à 300 K. Enfin, des mesures de transport avec ou sans champ magnétique ont été réalisées en fonction de la température. Elles ont permis de mettre en évidence la limitation du courant par les charges d'espace en présence de pièges profonds, avec une conduction par sauts de type Various Range Hopping de Mott. Des méthodes alternatives de fabrication de l'électrode supérieure ont été comparées afin d'améliorer la stabilité des composants réalisés. Pour finir, 3 % de magnétorésistance ont été obtenus à 5 K pour le PTCTE et à 40 K pour le BF3, suggérant que ces matériaux sont de bons candidats pour le transport polarisé en spin.

Organic electronics is a recent and promising research field. Most electronic devices have nowadays a counterpart using organic semiconductor (OSCs) materials based on small molecules: organic electroluminescent diodes (OLEDs), organic field effect transistors (OFETs) or organic solar cells (OPVs). The field of organic spintronics has been rapidly growing since the fabrication of the first organic spin valves in 2002 and 2004. This thesis falls within that context, with aim to fabricate and to study organic spin valves in order to get a better understanding of the mechanisms ruling spin injection and transport in OSCs. Fabricated junctions consist of two magnetic electrodes, which spin polarization is conserved above room temperature, separated by an organic thin film of thickness ranging from 50 to 200 nm. Several molecules were studied for their different electronic properties: tris-(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3), tetraethyl perylene 3, 4, 9, 10-tetracarboxylate (PTCTE) and benzofurane bithiophene (BF3). Morphological and structural studies were conducted to control the quality of metal/OSC interfaces. VSM measurements (Vibrating Sample Magnetometer) allowed the verification of the spin valve behavior of the samples, from 10 K to 300 K. Moreover, transport measurements were conducted with or without the presence of a magnetic field, varying the temperature. It allowed the identification of space charge limited transport operation with deep traps, and a hopping type charge transport following the Mott's Various Range Hopping model. Also, alternative fabrication methods of the top electrode were compared to improve the stability of the final devices. Finally, up to 3 % of magnetoresistance was obtained at 5 K for PTCTE and at 40 K for BF3, suggesting that these materials are good candidates for spin polarized transport.