Couches ultra-minces d’oxyde multifonctionnel pour des applications en spintronique

Ultra-thin multifunctional oxide layers for spintronics applications

• Auteur / Autrice : Suvidyakumar Homkar
• Direction : Nathalie Viart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Silviu-Mihail Colis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Viret, Morgan Trassin, Daniele Preziosi, Juan Carlos Rojas-Sanchez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kathrin Dörr, Wilfrid Prellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés magnétiques

Couches minces ferroélectriques

Matériaux multiferroïques

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Couches ultra-mince

GFO

Anisotropie

SHG

L'effet de Hall de spin

Couplage spin-orbite

Spintronics

Ultra thin films

GFO

Anisotropy

SHG

Spin Hall effect

Spin orbit coupling

Résumé

Le contexte de ce travail est le développement de dispositifs de spintronique à faible consommation d'énergie. Le projet vise à explorer les possibilités de contrôle de l’aimantation d'un oxyde multiferroïque et magnétoélectrique à température ambiante, le Ga0.6Fe1.4O3 (GFO), sans champ magnétique, en associant des mécanismes de retournement magnétoélectrique à ceux dûs à un couple spin-orbite. Cet objectif nécessite l'utilisation de couches ultra-minces de GFO, dont l'étude n'avait jamais été faite auparavant. Dans un premier temps, nous avons étudié les propriétés structurales, magnétiques et électriques de couches minces de GFO épitaxiées sur des substrats de SrTiO3 (STO) dans le régime ultra-mince. L'épaisseur des films a pu être contrôlée jusqu'à un quart de maille. Un effet de diffusion à l'interface substrat-film conduit à une inversion abrupte de l'état de polarisation du film qui a pu être mise en évidence dans les cinq premiers nanomètres de la couche. Les films ont montré une forte polarisation dès le début de leur croissance et ne semblent pas être sensibles à un quelconque champ dépolarisant. L'anisotropie magnétique des films a pu être ajustée de façon à ce qu'elle soit hors plan pour les plus minces et dans le plan pour les plus épais. Contre toute attente pour un matériau à base de Fe3+ 3d5, le moment orbital du Fe s'est avéré non nul, non-monotone en fonction de la température et fortement anisotrope, indiquant un couplage magnéto-structural important. Des hétérostructures de GFO/Pt ont été produites comme première étape vers le développement de dispositifs spintroniques basés sur le GFO. Des mesures de magnéto-transport en angle ont révélé un important effet de magnétorésistance de Hall de spin (SMR) et ont donc conforté la pertinence de GFO pour des dispositifs de mémoire à faible consommation d'énergie basés sur l'effet de Hall de spin.

The context of this work is the development of low power consuming spintronics-based devices. The project aims to explore the magnetic-field-free control of the magnetization of a room temperature multiferroic and magnetoelectric oxide, Ga0.6Fe1.4O3 (GFO), by coupling magneto-electric and spin-orbit torque switching mechanisms. This objective requires the use of ultra-thin layers of GFO, the study of which had never been done before. In a first move, we have investigated the structural, magnetic and electric properties of epitaxially grown atomically flat GFO thin films on SrTiO3 (STO) substrates at ultra-thin regimes. The thickness of the films could be controlled down to one fourth of a unit cell. A substrate-film interface diffusion effect which leads to an abrupt reversal of the polarization state of the film could be evidenced within the first five nanometers. The films showed a stout polarization from the very early growth and do not seem to be sensitive to any depolarizing field. The magnetic anisotropy of the films could be tuned from out-of-plane, for the thinnest ones, to in-plane for the thicker ones. Against all odds in such a 3d5 Fe3+ based material, the orbital moment of Fe was found to be non-zero, non-monotonously temperature dependent, and strongly anisotropic, indicating an important magneto-structural coupling. Heterostructures of GFO/Pt were produced as a first step towards the development of spintronics devices based on GFO. Angle-dependent magneto-transport measurements unveiled an important spin Hall magnetoresistance effect (SMR) and therefore comforted the relevance of GFO for spin-Hall-effect-based low power consuming memory devices.