Réalisation d'hétérostructures van der Waals à base de l'alliage ferromagnétique Cr2Te3 par épitaxie par jets moléculaires pour la spintronique

Molecular beam epitaxy of van der Waals heterostructures based on ferromagnetic Cr2Te3 for spintronics

• Auteur / Autrice : Quentin Guillet
• Direction : Alain Marty, Matthieu Jamet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 06/11/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : David Ferrand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lisa Michez, Massimiliano Marangolo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marcelo Lopes, Pierre Seneor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Matériaux 2D

Épitaxie par faisceaux moléculaires

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Épitaxie par jets moléculaires

Matériaux 2D

Magnétisme

Spintronic

Molecular beam epitaxy

2D materials

Magnetism

Résumé

Un des buts de la spintronique est d'utiliser le degré de liberté de spin des électrons afin de stocker et d'utiliser des informations. En ce sens, réussir la croissance sur de larges surfaces de matériaux bidimensionnels (2D) ferromagnétiques ayant une haute température de Curie (Tc) et une anisotropie perpendiculaire magnétique est hautement importante pour le développement de capteurs et de mémoires magnétiques ultra-compactes. Le matériau van der Waals (vdW) Cr2Te3 est un candidat prometteur grâce à la bonne qualité des interfaces formées avec d’autres matériaux vdW ou 2D, ainsi que par la possibilité de contrôler ses propriétés magnétiques par des contraintes ou un champ électrique. Pour échantillon massif, la Tc de ce matériau est de 180 K et son axe d’aimantation facile est hors du plan. Premièrement, des caractérisations structurelles et magnétiques d’heterostructures vdW à base de Cr2Te3 sont présentées. La croissance des échantillons a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires sur des couches du semi-métal graphene, du semi-conducteur WSe2 ainsi que de l’isolant topologique Bi2Te3. Ces heterostructures ont été étudiées à l’aide de multiples techniques expérimentales telles que la microscopie à force atomique pour vérifier la surface des couches, la spectroscopie Raman et la diffraction aux rayons X pour la structure cristalline, la microscopie par transmission électronique pour imager les interfaces, la rétrodiffusion Rutherford afin de de déterminer précisément la stœchiométrie et enfin par SQUID, MOKE et dichroïsme circulaire magnétique au synchrotron pour les propriétés magnétiques. La dépendance de l’anisotropie magnétique de fines couches (d’une épaisseur de 5 mailles cristallines) en fonction de la structure cristalline est mise en évidence, qui est elle-même déterminée par l’énergie fournie au système durant la croissance. Le choix de la couche 2D sous le Cr2Te3 n’affecte pas la croissance de ce dernier par conséquence des faibles interactions vdW. Dans un second temps, la température de transition de phase magnétique du matériau a été modifiée à la suite de recuits jusqu’à 700°C. Une augmentation de la Tc jusqu’à 250 K a été mesurée et corrélée avec un changement de la stœchiométrie des couches. De plus, des mesures de transport électrique ont été réalisées sur des heterostructures à base de Cr2Te3 afin d’étudier la dépendance de la résistivité transverse dans des barres de Hall en fonction de la structure de bandes du matériau ferromagnétique et de potentiels transferts de charges avec les matériaux 2D à proximité. Enfin, les couples spin-orbites induits par des couches de Bi2Te3 interfacées avec du Cr2Te3 ont été mesurés afin d’obtenir, par des courants électriques, un contrôle et même le retournement de l’aimantation.

The field of spintronics aims at using the spin degree of freedom of electrons to store and transport information. In this sense, achieving large-scale growth of two-dimensional (2D) ferromagnetic materials with high Curie temperature (Tc) and perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is highly desirable for the development of ultra-compact magnetic sensors and magnetic memories. The van der Waals (vdW) ferromagnet Cr2Te3 appears as a promising candidate due to the high quality of the interfaces formed with other vdW or 2D materials as well as the possibility to tune its magnetic properties by strain or electric field. In the bulk, the Tc of this ferromagnet is 180 K and the easy axis of magnetization is out-of-plane. First, structural and magnetic characterization of vdW heterostructures of Cr2Te3 on 2D materials were carried out. Samples were grown by molecular beam epitaxy (MBE) on the semimetal graphene, the semiconductor WSe2 as well as the topological insulator Bi2Te3. The heterostructures were characterized using a full set of tools ranging from atomic force microscopy (AFM) to study the layer morphology, Raman spectroscopy and x-ray diffraction for the crystal structure, transmission electron microscopy to image the interfaces, Rutherford back scattering (RBS) to determine accurately the stoichiometry and SQUID, MOKE and x-ray magnetic circular dichroism at synchrotron facilities for magnetic properties. The magnetic anisotropy of thin films (5 unit cell thick) is found to be dependent on the crystalline structure that is determined by the energy given to the system during growth. The choice of the 2D template for the epitaxy was found not to affect the crystal structure, due to weak vdW interaction. In a second step, the magnetic ordering temperature of the material was tuned with the help of post-growth annealing up to 700°C. An increase of the Tc up to 250 K was measured, associated to a change of the layers composition. Besides, electrical characterization of vdW heterostructures based on Cr2Te3 was carried out to study the Hall resistivity of the film as a function of the electronic band structure and charge transfer with the 2D material substrate. Spin-orbit torques induced by Bi2Te3 were finally measured for the electrical control and reversal of the magnetization of the 2D ferromagnetic layers.