Développement de nouveaux matériaux pour le contrôle ferroélectrique du couplage Rashba spin-orbit et de l'interconversion spin-charge

Development of new material systems for the ferroelectric control of Rashba spin-orbit coupling and spin-charge interconversion

• Auteur / Autrice : Gaétan Verdierre
• Direction : Manuel Bibes, Gertjan Koster
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/03/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....) - Inorganic Materials Science (Enschede, The Netherlands)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Gervasi Herranz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Houssny Bouyanfif, Ulrike Anne Lüders, Sylvia Matzen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Houssny Bouyanfif, Ulrike Anne Lüders

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt par laser pulsé

Oxydes des métaux de transition

Spintronique

Ferroélectricité

Mots clés libres

Rashba

Oxydes

Ferroélectriques

Wurztites

Rashba

Oxides

Ferroelectrics

Wurztites

Résumé

Alors que la spintronique classique s'est traditionnellement appuyée sur les métaux ferromagnétiques comme générateurs et détecteurs de spin, les effets de couplage spin-orbite permettent désormais de générer et de détecter efficacement des courants de spin à partir de courants de charge dans des architectures exemptes de matériaux ferromagnétiques.Cependant, les systèmes existants capables d'obtenir cette interconversion spin/charge ne possèdent pas le caractère non volatil des matériaux ferromagnétiques. La non volatilité de l'état ferroïque est une condition nécessaire pour le stockage et le traitement de données. Les recherches présentées dans cette thèse visent à développer des systèmes dans lesquels il sera possible de combiner les avantages du couplage spin-orbite de type Rashba (RSOC) pour une interconversion efficace entre les courants de spin et de charge avec une autre famille de systèmes ferroïques, les ferroélectriques. Le RSOC apparaît dans les systèmes dont la symétrie d'inversion est brisée, et est plus fort en présence d'éléments lourds. Les ferroélectriques rompent intrinsèquement la symétrie d'inversion et pourraient donc abriter du RSOC.En prime, la commutation de la polarisation du ferroélectrique via un champ électrique devrait pouvoir changer le signe du RSOC, et ce faisant la polarité avec laquelle le matériau interconvertirait les courants de spin en courant de charge via l'effet Edelstein. De plus, les ferroélectriques peuvent accumuler (ou réduire) de très grandes densités de porteurs dans les matériaux adjacents et ainsi générer des champs électriques à l'interface qui dépendent de la direction de la polarisation du matériau ferroélectrique. En utilisant cet effet, il est donc possible de créer un RSOC interfacial qui devrait également être commutable par l'action d'un champ électrique, permettant ainsi un contrôle électrique et non volatil de l'interconversion spin/charge.Dans le cadre du travail mené durant cette thèse, nous avons conçu et caractérisé deux types d'hétérostructures de couches minces ferroélectriques dans le but d'observer à terme du RSOC commutable : (i) un matériau monophasé, SrBiO₃, dont nous avons prédit qu'il deviendrait ferroélectrique avec un RSOC commutable si il était soumis à une forte contrainte en compression(ii) un système à plusieurs couches combinant un membre de la famille des wurtzites ferroélectriques, le (Al,Sc)N, avec le BiSb, un isolant topologique dont les propriétés d'interconversion spin charge pourraient être modulées à l'aide de la ferroélectricité.

While classical spintronics has traditionally relied on ferromagnetic metals as spin generators and spin detectors, spin-orbit effects now make it possible to efficiently generate and detect spin currents from charge currents in architectures free from ferromagnets.However, existing materials able to achieve this spin/charge interconversion do not possess the non-volatile character of ferromagnets required for non-volatile data storage and processing. In the work presented in this thesis, we tried to develop material systems in which it would be possible to combine the advantages of Rashba-type spin-orbit coupling (RSOC) for efficient interconversion between spin and charge currents with another family of ferroic systems, ferroelectrics. RSOC appears in systems with broken inversion symmetry, and is stronger in the presence of heavy elements. Ferroelectrics intrinsically break inversion symmetry and could thus harbour RSOC.As a bonus, switching the polarization of the ferroelectric with an electric field should switch the sign of the RSOC and thus the polarity with which the material would interconvert spin into charge via the Edelstein effect. In addition, ferroelectrics can accumulate or deplete very large carrier densities in adjacent materials and thus generate interfacial electric fields that would depends on the ferroelectric polarization direction. This would result in an interfacial RSOC that should also be tunable, allowing for a non-volatile electrical control of spin/charge interconversion.In the framework of this thesis, we investigated the growth and characterisation of two types of ferroelectric thin film heterostructures which should present switchable RSOC: (i) a single phase material, SrBiO₃, that we predicted to become ferroelectric with switchable RSOC at compressivestrain; (ii) an interface system combining the novel family of ferroelectrics, the wurtzites (Al,Sc)N, with BiSb, a topological insulator whose spin-charge interconversion properties could be modulated through the means of ferroelectricity.