Croissance par ablation laser de films ultrafins de grenats substitués pour les applications magnoniques

Pulsed Laser Deposition of Substituted thin Garnet Films for Magnonic Applications

• Auteur / Autrice : Lucile Soumah
• Direction : Abdelmadjid Anane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/01/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Béatrice Dagens
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelmadjid Anane, Béatrice Dagens, Andrii Chumak, Gianluca Gubbiotti, Olena Popova, Paolo Bortolotti, Laura Thevenard, Wilfrid Prellier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrii Chumak, Gianluca Gubbiotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transfert de spin

Magnétooptique

Ondes de spin

Grenats

Dépôt par laser pulsé

Films magnétiques

Mots clés libres

Grenat ultra fins

Ablation laser pulsée

Isolants magnétiques

Dynamique d'aimantation

Propriétés magnéto-optiques

Magnonique

Garnets thin films

Pulsed laser deposition

Magnetic insulators

Magnetization dynamics

Magneto-Optical properties

Magnonics

Résumé

Ce travail de doctorat porte sur la croissance par ablation laser pulsée de films ultrafins de Grenat de Fer et d’Yttrium dopés au Bismuth (BiYIG). Ces films d’épaisseur nanométriques sont caractérisés puis utilisés pour des applications magnon-spintroniques. Cette thèse englobe deux thématiques différentes de la physique : la science des matériaux et les applications magnon-spintroniques.La motivation de cette thèse repose sur le besoin, venant de la communauté magnon-spintronique, d’un nouveau matériau magnétique ultrafin à anisotropie ajustable. En effet, au court des dernières années, une avancée majeure dans le domaine a été l’obtention d’auto-oscillations magnétiques induites par un courant de charge dans un isolant magnétique. Ce résultat a été rendu possible grâce à l’utilisation d’un film ultrafin (20 nm) de Grenat de Fer et d’Yttrium (YIG) possédant de très faibles pertes magnétiques. Ces films ultrafins de YIG sont également intéressants pour la magnonique puisqu’il est aussi possible d’y propager et de manipuler des ondes de spin sur de grandes distances. Cependant, la direction facile d’aimantation dans ces films est fixée par l’anisotropie de forme et n’est pas un paramètre ajustable. Pour pousser plus loin les possibilités dans le domaine de la magnon-spintronique un matériau ultrafin, présentant des pertes magnétiques similaires au YIG, dans lequel il serait possible de stabiliser une anisotropie perpendiculaire serait désirable.La croissance par épitaxie en phase liquide de films de YIG substitués de plusieurs microns d’épaisseur a permis de mettre en évidence que l’anisotropie magnétique pouvait être modifiée par dopage. Notamment que la substitution des atomes d’Yttrium par les atomes de Bismuth sur les sites atomiques dodécaédriques permet d’obtenir une direction facile d’aimantation hors du plan, le BiYIG est également reconnu pour sa forte activité magnéto-optique. Cette thèse présente la croissance par ablation laser pulsée de films ultrafins (7 à 50 nm d’épaisseur) de BiYIG. Dans ces films l’anisotropie magnétique a deux origines : l’anisotropie de croissance et l’anisotropie de contrainte. Dans ces films grâce à la contrainte les deux types anisotropies magnétique (planaire ou perpendiculaire) peuvent être obtenues. La caractérisation dynamique des films montre que la substitution d’Yttrium par le Bismuth n’augmente pas les pertes magnétiques et que l’amortissement de Gilbert dans le BiYIG est comparable à celui du YIG. De plus l’augmentation de l’activité magnéto optique du BiYIG par rapport à celle du YIG rend ce nouveau matériau très intéressant pour des techniques expérimentales impliquant l’interaction lumière/ moment magnétique (BLS, Kerr microscope…).Pour observer des phénomènes spintronique nous avons déposé une couche de Pt. Des mesures de transport comme la magnetoresistance Hall de spin, l’effet Hall de spin inverse ou l’effet Hall anormal témoignent d’un transfert de courant de spin a l’interface BiYIG-Pt. Grâce à l’anisotropie perpendiculaire, il est également possible d’observer de nouveaux phénomènes comme la génération d’onde de spin cohérent à partir d’auto-oscillations. Ce nouvel isolant magnétique combinant une faible épaisseur, un faible amortissement magnétique et une anisotropie magnétique modifiable est donc un matériau prometteur pour des applications magnon-spintroniques et ouvre de nouvelles possibilités pour le domaine.

This PhD work focuses on the Pulsed Laser Deposition (PLD) growth of Bismuth doped Iron Garnet nanometer thick films. Those films are charcterised and used for magnon-spintronics applications. This PhD has two main focuses : material science and magnon-spintronics applications.The aim of this PhD is to fill up the need in the magnon-spintronics community of an ultrathin magnetic material combining low magnetic losses and tunable magnetic anisotropy. Indeed the recent breakthrough in the domain was the ability of generating magnetic auto-oscillations from a charge current in a magnetic insulator. This result has been obtained by using an 20 nm thick film of Yttrium Iron Garnet (YIG) with low magnetic losses (α=2⋅〖10〗^(-4) ). Those ultrafin films of YIG can also be used for spin waves propagation over micrometeter distances. However the easy magnetic axis in those films is set to in plane due to the shape anisotropy and it is not a tunable parameter. To go further in terms of magnon-spintronics applications a perpendicularly easy magnetized low losses ultra-thin magnetic material would be desirable. Liquid Phase Epitaxy growth of micrometer thick doped YIG during the 70’s evidenced that the magnetic anisotropy could be modified by doping or substitution. Especially the substitution of Yttrium atoms by Bismuth ones on the dodecaedric atomic sites allows to stabilise out of plane magnetic anisotropy. Morevover the BiYIG is also known to posses high magneto optical activity.This PhD presents the growth by Pulsed Laser Deposition of ultrathin BiYIG films (7 to 50 nm thick). In those films the uniaxial magnetic anisotropy has two main origins : the magneto elastic and the growth induced anisotropy. Using the strain in those films it is possible to obtain both out of plane and in plane magnetic anisotropy. The dynamical characterisation shows that magnetic losses in the perpendicular easy magnetized films are comparable to the one of YIG ultrathin films. The high magneto optical activity in those films makes the BiYIG ultrathin films suitable for ligth based detection technics involving ligth/magnetism interaction. By sputtering a Pt sublayer on the top of BiYIG ultra thin films we could observ different spintronic phenomena evidencing the transfer of spin current from the metal to the insulator. Low losses and nanometer thickness in perpendicularly easy magnetized BiYIG films allow to observ current induced magnetic auto oscillation in the same fashion as what was previously done with ultrathin YIG. The perpendicular magnetic anisotropy allows however to couple those auto oscillation to spin waves, which was not possible for in plane magnetized YIG fims. This new phenomena is related to the unique properties of the ultrathin BiYIG.BiYIG ultrathin films are thus opening new perspectives in the magnon spintronic commnutiy due to their low thickness and tunable magnetic anisotropy.