Mesure de propriétés magnétiques locales de dispositifs par microscopie électronique à transmission

Measurement of local magnetic properties of devices with transmission electron microscopy

• Auteur / Autrice : Xiaoxiao Fu
• Direction : Virginie Serin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 27/05/2016
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Microscopie électronique en transmission

Mots clés libres

Microscopie electronique à transmission

Electronique de Spin

EELS

EMCD

Phénomènes magnétiques

Transmission electron microscopy

Spintronic

EELS

EMCD

Magnetic moment

Résumé

L'EMCD, Energy Loss Magnetic Chiral Dichroism, est une technique récente, mise en œuvre dans le microscope électronique à transmission (TEM), qui utilise la spectroscopie de pertes d'énergie d'électrons (EELS). Elle a pour objectif la mesure du moment magnétique local d'un élément chimique donné. Son utilisation contribue à progresser dans la compréhension des phénomènes magnétiques à l'échelle nanométrique. Cette thèse propose d'élargir les domaines d'applications de l'EMCD. Nous avons exploité l'EMCD pour l'étude de films minces de MnAs épitaxiés sur un substrat de GaAs(001). Ce travail montre l'utilité de cette technique dans le cas de structures hexagonales présentant une anisotropie magnéto-cristalline élevée. Le rapport des moments orbital et de spin du Mn dans les films de MnAs ferromagnétique de structure hexagonale a été mesuré par EMCD et comparé à des calculs DFT, ceci le long des axes magnétiques facile, difficile et intermédiaire. Une rupture de l'ordre ferromagnétique a par ailleurs été observée et mesurée in situ dans le microscope grâce à un porte-objet chauffant, lors de la transition cristallographique de a-MnAs hexagonal à ß-MnAs quasi-hexagonal. La technique EMCD a également été mise en œuvre pour sonder le moment 4f de composés de terres rares à base de dysprosium. Il s'agissait d'étudier des super-réseaux DyFe2/YFe2. Les règles de somme ont été établies pour le seuil M4,5 du Dy. En outre, le couplage antiparallèle des moments Dy et Fe a été confirmé en comparant leurs signaux dichroïques et en prenant en compte la théorie dynamique de la diffraction. Ce travail de thèse illustre pour la première fois d'une part la faisabilité de la technique EMCD pour l'étude quantitative de l'anisotropie et des transitions magnétiques, et d'autre part son potentiel pour étudier les terres rares et leur moment 4f, ainsi que le couplage avec des éléments de transition.

EMCD (Energy-Loss Magnetic Chiral Dichoism) is an emerging technique based on energy-loss spectroscopy (EELS) in a transmission electron microscopy (TEM). It aims at measuring the element-specific local magnetic moment of solids at a nanometer scale, and hence improving our understanding of magnetic local magnetic phenomena. This thesis presents the exploring work on developing the EMCD technique and its applications. We have applied EMCD to epitaxial MnAs thin films grown on a GaAs(001) substrate, extending the application of this technique to hexagonal structure with high magnetocrystalline anisotropy. The 3d orbital-to-spin moment ratio of Mn in hexagonal ferromagnetic MnAs along easy, hard and intermediate magnetic axes has been respectively estimated and then compared to DFT calculations. Moreover, a breaking of the ferromagnetic order in MnAs thin film, together with the crystallographic transition from hexagonal a-MnAs to quasi-hexagonal ß-MnAs, has been locally studied in-situ by modifying the temperature of the crystal inside the electron microscope. EMCD has also been settled to probe 4f moment in rare earth compounds, by investigating Dy-M4,5 edges in DyFe2/YFe2 superlattices. We have derived sum rules which are specified for 4f moment and applied them to the obtained dichroic signal over Dy-M4,5 edges. In addition, antiparallel coupling of Dy and Fe moments has been confirmed by comparing their dichroic signals, taking into account the dynamic diffraction effect. The work in this thesis illustrates for the first time the feasibility of EMCD technique for quantitative study of magnetocrystalline anisotropy and magnetic transition, and also proves its potential as a tool to investigate 4f moment as well as moment coupling in magnetic materials.