Croissance épitaxiale et étude des propriétés structurales et magnétiques du composé antiferromagnétique Mn5Si3

Epitaxial growth and investigation of structural and magnetic properties of the antiferromagnetic compound Mn5Si3

• Auteur / Autrice : Ismaila Kounta
• Direction : Lisa Michez, Matthieu Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matière condensée et Nanosciences
• Date : Soutenance le 19/10/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINAM) - Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (Marseille ; Toulon ; 2008-….) - Spintronique et technologie des composants (Grenoble ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Roland Hayn
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lisa Michez, Matthieu Petit, Noëlle Gogneau, Florent Tournus, Vincent Baltz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Noëlle Gogneau, Florent Tournus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Hall, Effet

Spintronique

Antiferromagnétisme

Épitaxie

Mots clés libres

Croissance épitaxiale

Mn5Si3

Altermagnétisme

Antiferromagnétisme

Dft

Spintronique

Epitaxial growth

Mn5Si3

Altermagnetism

Antiferromagnetism

Dft

Spintronics

Résumé

Les matériaux antiferromagnétiques (AF), grâce à leur dynamique rapide, leur robustesse aux champs magnétiques extérieurs et l’absence de champ de fuite ouvrent des pistes pour le développement d’une nouvelle génération de dispositifs pour les technologies de l’information et de la communication. Ce manuscrit porte sur la croissance par épitaxie par jets moléculaires de films minces de Mn5Si3. C'est un matériau modèle présentant deux ordres AF distincts et dépendant de la température. Nous avons mis au point une technique de synthèse par co-dépôt de Si et Mn sur une surface de Si(111) reconstruite (7×7). Une étude systématique des propriétés structurales, magnétiques et de magnétotransport a été menée en fonction des paramètres de croissance. Cette dernière s'effectue selon la relation d’épitaxie Mn5Si3(0001)-[01-10]//Si(111)-[1-10] par l'intermédiaire d'une interface complexe, composée soit d'une phase amorphe, soit d'une couche de MnSi. Des calculs d'énergie de surface par DFT indiquent une énergie importante pour le Mn5Si3, rendant la surface Si(111)-(7×7) peu propice à sa nucléation. Une approche d’ingénierie d’interface consistant à modifier la reconstruction de surface s’avère efficace pour favoriser la croissance directe de Mn5Si3 sur Si(111). La caractérisation magnétique par SQUID confirme la présence d’un ordre magnétique compensé dans nos films. Le magnétotransport met en évidence un effet Hall topologique témoignant d’une structure de spin non-coplanaire au-dessous de 70 K. De plus, un effet Hall anormal spontané est observé au-dessous de 240 K. Cet effet, absent dans le matériau massif, est attribué à la stabilisation, par effet d’épitaxie, d’une structure magnétique singulière, dite altermagnétique, brisant macroscopiquement la symétrie d’inversion temporelle. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec nos calculs théoriques et montrent que les matériaux altermagnétiques sont très prometteurs comme éléments actifs pour des applications spintroniques.

Antiferromagnetic (AF) materials, with their fast dynamics, robustness to external magnetic fields, and absence of stray fields, open up avenues for the development of a new generation of devices for information and communication technologies. This manuscript focuses on the epitaxial growth of thin films of Mn5Si3 by molecular beam epitaxy. This material is a model system exhibiting two distinct temperature-dependent AF orders. We have developed a co-deposition technique of Si and Mn on a reconstructed Si(111) (7×7) surface. A systematic study of the structural, magnetic, and magnetotransport properties was conducted as a function of the growth parameters. The growth occurs through a complex interface, composed either of an amorphous phase or a MnSi layer, with the following epitaxial relationship: Mn5Si3(0001)-[01-10]//Si(111)-[1-10]. Surface energy calculations by DFT indicate a high energy for Mn5Si3, making the Si(111)-(7×7) surface unfavorable for its nucleation. An interface engineering approach involving the modification of the surface reconstruction proved to be effective in promoting the direct growth of Mn5Si3 on Si(111). Magnetic characterization by SQUID confirms the presence of a compensated magnetic order in our films. Magnetotransport measurements reveal a topological Hall effect, indicative of a non-coplanar spin structure below 70 K. Furthermore, a spontaneous anomalous Hall effect is observed below 240 K. This effect, absent in the bulk material, is attributed to the epitaxy-induced stabilization of a unique magnetic structure known as an altermagnetic structure, which macroscopically breaks time-reversal symmetry. The experimental results are in good agreement with our theoretical calculations and demonstrate that altermagnetic materials hold great promise as active elements for spintronic applications.