Thèse soutenue

Spintronique avec des matériaux 2D ˸ Manipulation des Interfaces
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Auteur / Autrice : Victor Zatko
Direction : Pierre Seneor
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 01/04/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Massimiliano Marangolo
Examinateurs / Examinatrices : Matthieu Jamet, Nathalie Viart, Amandine Andrieux-Ledier
Rapporteurs / Rapporteuses : Massimiliano Marangolo, Matthieu Jamet

Mots clés

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Résumé

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Le magnétisme a joué un rôle clé dans la récente révolution du stockage des données. La quantité d'information stockée a été multipliée par 10000 au cours des 20 dernières années. Derrière les centres de données massifs et les nouvelles mémoires magnétiques ultrarapides et à faible consommation (MRAMs), on retrouve le même concept physique : la spintronique. En spintronique, l'information n'est plus seulement portée par la charge de l'électron comme dans les technologies basées sur les transistors CMOS, mais aussi par son spin. En parallèle, le domaine des matériaux 2D a explosé, avec des résultats expérimentaux mettant en évidence des propriétés uniques pouvant convenir à des applications. L'introduction de matériaux 2D atomiquement minces dans les dispositifs de spintronique semble être théoriquement très prometteuse mais expérimentalement difficile. En effet, par exemple, on s'attend à ce que le graphène soit un excellent filtre en spin une fois associé à certains ferromagnétiques dans des jonctions tunnel magnétiques. Cependant, les preuves expérimentales de tels phénomènes commencent seulement à être dévoilées. L'intégration difficile du graphène et d'autres matériaux 2D dans des dispositifs spintroniques constitue un défi important pour la préservation et le contrôle des signaux de spin.Dans cette thèse, nous montrons d'abord comment intégrer le graphène et le semi-conducteur 2D WS₂ dans des jonctions tunnel magnétiques fonctionnelles tout en préservant des interfaces de haute qualité. Cela nous permet d'étudier les propriétés de filtrage de spin liées à la structure de bande du graphène et du WS₂, et de discuter de la façon dont ces effets évoluent avec l'empilement des couches pour finalement identifier de nouveaux mécanismes. Les signaux de spin mesurés sont bien supérieurs à l'état de l'art dans les deux cas atteignant un filtrage en spin quasi-parfait pour le graphène multicouche. Nous montrons en outre que les 2D développent également une polarisation en spin qui dépend fortement du couplage et de l'hybridation avec une électrode ferromagnétique métallique. À partir de ce résultat, nous montrons enfin qu'il est même possible de créer une jonction tunnel magnétique basée sur une électrode artificielle de graphène polarisée en spin en induisant une polarisation en spin par des effets de proximité avec un isolant ferromagnétique. Ces différentes études soulignent que le filtrage en spin des structures de bande des matériaux 2D et les effets de proximité sont des outils puissants pour manipuler les courants de spin. Un processus in-situ polyvalent à grande échelle est maintenant nécessaire pour adapter précisément les hétérostructures 2D afin d'exploiter pleinement ces mécanismes fondamentaux. Dans cette direction, le dépôt par ablation laser pulsé (PLD) est démontré comme étant une plateforme permettant de faire croître des matériaux 2D et des hétérostructures de van der Waals en modifiant leur structure de bande et en définissant un puits quantique de référence. Ce travail représente la première démonstration de l'ingénierie de bande de barrière tunnel pour les jonction tunnel magnétiques grâce à des hétérostructures de semi-conducteurs 2D à grande échelle. Dans l'ensemble, ce travail met en évidence les mécanismes de filtrage en spin qui découlent des propriétés uniques des matériaux 2D, ouvrant ainsi la voie au développement de dispositifs spintroniques entièrement basés sur les 2Ds d'une grande polyvalence.