PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES ET ÉLECTRONIQUES RÉSULTANT DU DOPAGE DE COUCHES DE CUO EN PHASE TÉTRAGONALE

MAGNETIC AND ELECTRONIC PROPERTIES OF DOPED TETRAGONAL CUO FILMS

• Auteur / Autrice : Anjali Yadav
• Direction : Maurizio De santis, Roberta Poloni
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Croissance;

Structure de couches epitaxiées;

Couplage d'echange et propriétes magnetiques;

Calcule des propriétés par DFT;

Propriétés de transport

Films Growth

Films Structure;

Exchange coupling and magnetic properties;

DTF calculation of the electyronic states and properties;

Transport properties

Résumé

Le CuO a une structure monoclinique, contrairement à la plupart des monoxydes de métaux de transition 3d. Cette péculiarité est cruciale pour ses propriétés magnétiques. CuO est antiferromagnétique avec une température de Néel de 230 K. Cette valeur est en contradiction avec la tendance à l'augmentation de TN avec le numéro atomique observée pour les monoxydes de métaux de transition 3d, et s'explique par sa structure. Les propriétés magnétiques sont fonction de l'interaction de super-échange entre les ions métalliques. Cette interaction augmente avec l'angle de liaison Métal-Oxygène-Métal et est maximale pour une configuration linéaire (angle de liaison de 180°) [1]. Cette condition est réalisée pour la plupart des membres de la série 3d des monoxydes de métaux de transition (MnO, FeO, CoO, NiO). Dans le CuO monoclinique, cet angle est de 109° ou 146°. L'objectif du projet de recherche est la croissance et l'étude de films CuO dopés présentant des propriétés particulières, en utilisant des résultats récents qui ont montré la croissance épitaxiale d'une nouvelle phase CuO tétragonale, dans laquelle l'angle de liaison Cu-O-Cu est de 180° [2]. Nous développerons des films pour deux types d'applications différentes. Le premier objectif est la croissance de films semi-conducteurs magnétiques qui sont essentiels dans les applications de spintronique [3]. Le deuxième l'élaboration de films avec possiblement des propriétés supraconductrices, qui seront également obtenus à partir de la phase CuO tétragonale, le CuO étant considéré un composé parent et model des supraconducteurs cuprates à haute température critique [4]. Une approche conjointe théorique et expérimentale sera adoptée. Des calculs ab initio seront effectués en synergie avec les expériences pour le choix de l'élément dopant le plus approprié. Pour la croissance des semi-conducteurs ferromagnétiques, les dopants Fe et Co seront d'abord considérés. En changeant la nature du dopant, nous espérons également pouvoir croitre des films métalliques avec des propriétés supraconductrices. Pour cela, les films doivent être dopés avec des éléments qui peuvent fournir des électrons supplémentaires, par analogie avec le cas des semi-conducteurs de type n. Le CuO est un isolant de type transfert de charge avec du Cu divalent. Nous allons essayer de remplacer le cuivre par des métaux trivalents. La substitution du cuivre par Al et Ti sera d'abord étudiée par calculs DFT. En termes de méthodologies, ce projet comportera trois axes: (1) le calcul ab initio des propriétés électroniques, (2) la croissance, (3) la détermination structurale et la mesure des propriétés électroniques et magnétiques. Le CuO tétragonal a été obtenu en épitaxie sur SrTiO3(100) par différentes techniques : dépôt laser pulsé, pulvérisation, et épitaxie par jet moléculaire (MBE). Dans ce projet, la croissance par MBE sera privilégiée. Elle sera réalisée par co-évaporation du Cu et de l'élément dopant sur le substrat dans une pression partielle d'oxygène atomique. La structure des échantillons sera déterminée par diffraction X en Mots clés - Keywords incidence rasante (GIXRD), qui est une méthode particulièrement appropriée pour l'étude de la structure des TMO ultraminces [5]. Ces études nécessitent une source de rayonnement synchrotron et des propositions seront soumises à des lignes de lumière appropriées. La mesure des propriétés de transport et magnétiques sera réalisé à l'Institut Néel. Les calculs de structure électronique seront effectués au SIMAP en utilisant le schéma DFT+U. La correction de Hubbard U est nécessaire pour rétablir l'hybridation correcte des états d près du niveau de Fermi [6,7].

Tenorite CuO phase is unique amongst the monoxides of the 3d transition elements in having a monoclinic unit cell, rather than the cubic rock salt structure and octahedral coordination. CuO is antiferromagnetic with a Néel temperature of 230 K. This value is at odd with the trend of increasing TN with atomic number observed for 3d transition metal monoxides, and is explained with its structure. The magnetic properties are function of the super-exchange interaction between copper ions. This interaction increases with Metal-O-Metal bond angle and is maximum for a linear configuration (bond angle of 180°) [1]. This condition is realized for most of members of the 3d transition metal monoxides series (MnO, FeO, CoO, NiO). In monoclinic CuO this angle is either 109° or 146°. The aim of our research project is the growth and study doped CuO films exhibiting peculiar properties by making use of the recent advancements associated with the epitaxial growth of a new tetragonal CuO phase, in which the Cu-O-Cu bond angle it is of 180° [2]. We will develop films for two different kind of applications. The first objective is the growth of magnetic semiconductor films which are critical in spintronic applications [3]. More challenging, a second class of films will be studied with possibly superconducting properties, which will be also elaborated starting from the tetragonal CuO phase. The motivation comes from the fact that CuO can be regarded as the model parent compound of the high temperature cuprate superconductors [4]. A joint computational and experimental approach will be adopted. Ab initio calculations will be performed in synergy with experiments for the choice of the most appropriate dopant element. For growing ferromagnetic semiconductors, Fe and Co dopants will be firstly considered. Changing the nature of dopant, we expect also to be able to grow metallic films hopefully with superconducting properties. For that, the films need to be doped with elements which can provide extra electrons, in analogy with the case of n-type semiconductors. Remembering that CuO is a charge transfer insulator with divalent Cu, we will try to replace copper with trivalent metals. Copper substitution with Al and Ti will be first studied by DFT calculations. In terms of methodologies, this project will have three axes that will work in synergy: (1) the ab initio calculation of the electronic properties, (2) the growth, (3) the structural determination and measurement of the electronic and magnetic properties. Tetragonal CuO was grown in epitaxy on SrTiO3(100) by different techniques: pulsed laser deposition, magnetron sputtering, and electron beam evaporation (MBE). In this project, the sample growth will be performed by reactive MBE. The growth of the doped films will be realized by co-evaporation of Cu and of the dopant element on the substrate in atomic oxygen atmosphere. The structure of the most promising samples will be determined by grazing incidence x-ray diffraction (GIXRD), which is a particularly appropriated method for the study of the growth and the structure of ultrathin TMOs [5]. These studies require a synchrotron radiation source and proposals will be submitted to suitable beamlines. The transport and magnetic properties as a function of the applied magnetic field (up to 8 Tesla) and temperature (in the range 1.6-300 K), will be measured ex situ using the techniques available at the Néel Institute. The electronic structure calculations will be performed at SIMAP by employing the DFT+U scheme. The Hubbard U correction is necessary to restore the correct hybridization of the d states near the Fermi level which is a manifestation of the strong electron correlation [6,7].