Croissance épitaxiale de films minces de Fe3O4 sur ZnO par PLD : une perspective pour la spintronique

Epitaxial growth of thin Fe3O4 films on ZnO by PLD : a perspective for spintronics

• Auteur / Autrice : Ismail Madaci
• Direction : Yves Dumont, Olena Popova, Philippe Vennéguès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d’Etude de la Matière Condensée (GEMAC)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bénédicte Warot, Nathalie Viart, Isabelle Berbezier, Jean-Baptiste Moussy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bénédicte Warot, Nathalie Viart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films magnétiques

Mots clés libres

Fe3O4

Dépôt par ablation laser pulsée

Ferromagnétisme

Microscopie electronique à transmission

Couches minces magnétiques

Fe3O4

Pulsed Laser Deposition

Ferromagnetism

Transmission Electron Microscopy

Magnetic thin films

Résumé

Ce travail de doctorat s'inscrit dans ledomaine de la science des matériaux pourl'électronique de spin. Notre objectif est de maîtriserla croissance épitaxiale du semi-métal Fe3O4, ayantune densité d'états entièrement polarisée, sur dessubstrats semi-conducteurs en ZnO, possédant unelongue cohérence de spin (dans la gamme dumicromètre). La combinaison réussie "Fe3O4/ZnO"constitue la première fondation nécessaire pour desétudes physiques sur l'injection de spin dans lesdispositifs. Dans ce travail, des réalisations notablesont été obtenues, en particulier les processus réussisde croissance épitaxiale pour Fe3O4 sur des substratsZnO(000±1), indépendamment de la polarité dusubstrat. Un contrôle précis de la pression partielled'oxygène pendant le dépôt a permis la synthèse defilms minces de Fe3O4 purs et stœchiométriques,avec des propriétés magnétiques ressemblant àcelles de Fe3O4 massif. L'étude a fourni desinformations sur l'influence de la température decroissance sur l'interface entre Fe3O4 et ZnO, ycompris les effets des couches tampon de FeOintentionnellement déposées. De plus, la recherches'est étendue pour explorer l'impact dudésorientation du substrat sur l'aimantationrémanente des films minces de Fe3O4. En utilisantdes techniques avancées de microscopieélectronique en transmission, une analysecomplète de la croissance épitaxiale a révélé diversdéfauts structuraux, fournissant unecompréhension approfondie des défis dans cedomaine de recherche.

This PhD work is inscribed in the researchdomain of materials science for spin electronics. Weaim to master the epitaxial growth of the halfmetallic Fe3O4, a material with a fully polarizeddensity of states, on ZnO semiconducting substrates,possessing a long spin coherence length (within themicrometer range). The successful combination“Fe3O4/ZnO” is the first necessary foundation forphysical spin injection studies on devices. In this worknotable achievements were realized, particularly thesuccessful epitaxial growth processes for Fe3O4 onZnO(000±1) substrates, regardless of substratepolarity. Precise control of oxygen partial pressureduring deposition allowed the synthesis of purestoichiometric Fe3O4 thin films, with magnetizationproperties closely resembling those of bulk Fe3O4.The investigation provided critical insights into theinfluence of growth temperature on the interfacebetween Fe3O4 and ZnO, including the effects ofintentionally grown FeO template layers.Furthermore, the research extended to explore theimpact of substrate miscut on remanentmagnetization of Fe3O4 thin films. Utilizingadvanced transmission electron microscopytechniques, a comprehensive analysis of epitaxialgrowth revealed various structural defects,providing an in-depth understanding of thechallenges in this area of research.