Perovskites magnétiques diluées bidimensionnelles

2D Diluted Magnetic perovskites

• Auteur / Autrice : Khanh linh Le
• Direction : David Ferrand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/04/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Spintronics

Optics

Semiconductors

Magnetism

Résumé

Suite au boom du graphène, de nouveaux matériaux magnétiques 2D ont été mis en avant, comme la série des halogénures de chrome (CrI3), Cr2Ge2Te6 et Fe3GeTe2, et les monocouches exfoliées de matériaux de la série MPS3 (M=Mn, Fe, Ni...). Les pérovskites organiques magnétiques sont actuellement proposées comme une bonne alternative. Concernant la manipulation de l'aimantation par un champ électrique, un matériau de type pérovskite magnétique diluée sera particulièrement attractif si un fort couplage entre les porteurs hôtes et les impuretés magnétiques permet d'obtenir un ferromagnétisme induit par les porteurs : le champ électrique appliqué à une structure à effet de champ module facilement la densité de porteurs, et donc l'interaction magnétique entre spins. Le projet est axé sur le magnétisme photo-induit dans les pérovskites bidimensionnelles (2D) dopées avec des ions de métaux de transition (manganèse). Nous rechercherons à caractériser l'interaction d'échange entre les porteurs libres hôtes et les dopants qui joue un rôle clé dans le couplage magnétique à longue portée Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) mis en évidence dans les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) II-VI et III-V. L'objectif de la thèse est d'étudier les interactions d'échange spin-porteur dans les perovskites 2D Ruddlesden-Popper BA2(MA)n-1(Pb1-xMnx)n I3n+1 semi-conducteurs magnétiques dilués et d'évaluer leur potentiel pour le ferromagnétisme induit par les porteurs. Les hétérostructures seront constituées de puits quantiques magnétiques dilués (MA)n-1(Pb1-xMnx)nI3n+1 d'une épaisseur d'une monocouche, séparés par des espaceurs organiques non magnétiques BA2 Butylammonium. Les échantillons seront fabriqués à l'université VNU dans le groupe du professeur Nguyen Tran Thuat par des méthodes chimiques de spin coating et de drop casting. Cette méthode de croissance nous permettra de faire varier la largeur du puits quantique d'une monocouche (géométrie 2D pure) à plusieurs (géométrie pseudo 2D pour quelques monocouches jusqu'à la géométrie 3D pour plusieurs monocouches). La concentration nominale d'atomes de Mn sera ajustée pendant la croissance à partir de concentrations extrêmement faibles jusqu'à environ 10% à 30%. Les atomes de Mn, qui remplacent les atomes divalents de Pb, introduiront dans la matrice des ions Mn2+ ayant une configuration électronique 3d5. Ils introduiront des spins dilués S=5/2 distribués aléatoirement dans les puits quantiques. Le travail expérimental sera consacré à l'étude et à la caractérisation des interactions d'échange entre les spins de Mn et les porteurs en fonction de la largeur des puits. Les propriétés magnéto-optiques seront étudiées par spectroscopie magnéto-optique réalisée de 300K à 2K, sous des champs magnétiques accordables et à l'aide d'un dispositif de micro-photoluminescence dédié.

Following the graphene boom and with motivations more focused on spin electronics applications, new 2D magnetic materials have been highlighted, such as the chromium halide series (CrI3), Cr2Ge2Te6 and Fe3GeTe2, and exfoliated monolayers of MPS3 series materials (M=Mn, Fe, Ni...). Magnetic organic perovskites are currently proposed as a good alternative. Concerning the manipulation of magnetization by an electric field, a material of the diluted magnetic perovskite type will be particularly attractive if a strong coupling between host carriers and the magnetic impurities allows to obtain carrier-induced ferromagnetism: the electric field applied to a FET structure easily modulates the carrier density, and thus the magnetic interaction between spins. The project is focused on photo-induced magnetism in two-dimensional (2D) perovskites doped with Mn transition metal ions. We will look for the exchange interaction between host free carriers and dopants which plays a key role in the long-range magnetic coupling Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) evidenced in II-VI and III-V dilute magnetic semiconductors (DMSs). The goal of the PhD is to study spin-carrier exchange interactions in 2D Ruddlesden-Popper BA2(MA)n-1(Pb1-xMnx)n I3n+1 diluted magnetic semiconductor perovskites and evaluate their potentiality for carrier induced ferromagnetism. The heterostructures will consist in (MA)n-1(Pb1-xMnx)nI3n+1 n monolayer thick diluted magnetic multiple quantum wells separated by BA2 Butylammonium non-magnetic organic spacers. The samples will be grown at VNU University in the group of Prof Nguyen Tran Thuat by spin coating and drop casting chemical methods. This growth method will allow us to tune the quantum well width from one monolayer (pure 2D geometry) to several ones (pseudo 2D geometry for few monolayers up to 3D bulk geometry for several monolayers). The nominal concentration of Mn atoms will be tuned during the growth from vanishingly low concentrations up to about 10% to 30%. Mn atoms, which substitute Pb divalent atoms, will introduce in the matrix Mn2+ ions having a 3d5 electronic configuration. They will introduce S=5/2 diluted spins randomly distributed in the quantum wells. The experimental work will be dedicated to the study and characterization of the exchange interactions between Mn spins and carriers as a function of the well width. The magneto-optical properties will be investigated by magneto-optical spectroscopy performed from 300K down to 2K and under tunable magnetic fields and using a dedicated micro-photoluminescence set-up.