Oxydes magnétoélectriques pour la SpinOrbitronique – MISSION

Le contrôle à l'échelle atomique de l'interface entre le film mince d'oxyde multifonctionnel et le matériau à fort couplage spin-orbite fort est l'un des défis relevés par le projet. Il sera abordé par le dépôt de couches minces de ferrite de gallium par laser pulsé contrôlé par le RHEED, post-caractérisé par microscopie électronique à transmission à haute résolution. Le projet comprend également la détermination des conditions de fonctionnement de ces outils de conception nouvelle. Divers avantages devraient résulter de cette étude des interfaces métal/oxyde magnétoélectrique, de progrès en connaissances fondamentales à la réduction de la consommation d'énergie liée aux applications. Les méthodes utilisées seront des outils de caractérisations magnétiques macroscopiques tels que SQUID, et microscopiques tels que XMCD. Enfin, l'interconversion spin/charge des hétérostructures oxyde/Pt sera caractérisée à l'aide de dispositifs lithographiés en barre de Hall.

Des phénomènes interfaciaux importants entre les substrats de STO et les couches minces déposées de GFO ont été mis en évidence à l'échelle atomique. Leur impact sur les propriétés ferrimagnétiques et ferroélectriques de la couche déposée a été mis en évidence et les conditions de dépôt des films ont été optimisées. Il est maintenant possible de faire croître des couches minces de GFO, avec un contrôle allant jusqu'au quart de la maille unitaire.
Les caractérisations en magnéto-transport des barres de Hall GFO/Pt ont montré des effets de magnétorésistance évidents. Des mesures en fonction de la température avec différentes orientations du champ magnétique appliqué (dans le plan, parallèle ou perpendiculaire au courant appliqué, ou hors plan) ont permis de faire la différence entre la magnétorésistance anisotrope (AMR) et la magnétorésistance de spin (SMR). La valeur de la SMR mesurée pour les hétérostructures GFO/Pt est d'environ 2,10-4 à 300 K et 4,5,10-4 à 20 K. Cette valeur est identique à celle observée dans les hétérostructures YIG/Pd et à peine inférieure à celle observée YIG/Pt (4,10-4 à 300 K et 6,10-4 à 20 K).

Nous avons démontré par une étude par microscope électronique en transmission résolue à l’échelle de l’atome que l'interface entre un substrat de SrTiO3 (STO) et le film mince de ferrite de gallium déposé sur celui-ci à haute température était très différente de ce qui était prévu, avec un impact important sur les propriétés structurales, électriques et magnétiques du film pour les faibles épaisseurs. On a en effet observé que les cations Ti migraient, jusqu'à 5 nm de profondeur, dans le film d'oxyde déposé. Cette migration est due à l'avidité du Ti pour l'oxygène et est permise par la température de dépôt élevée. Ce phénomène n'avait jamais été mis en évidence auparavant, bien qu'il pollue très probablement tous les dépôts d'oxydes sur STO et devrait être considéré de manière générale pour expliquer les propriétés étranges des films à de très faibles épaisseurs.
La démonstration de la magnétorésistance de spin (SMR) dans les hétérostructures GFO/Pt est également une réalisation majeure. Cette SMR est du même ordre de grandeur que celles mesuréss dans les hétérostructures classiques oxyde/Pt.
Nous travaillons maintenant à la démonstration de la possibilité de contrôler l'interconversion spin/charge dans ces hétérostructures grâce à l'effet magnétoélectrique offert par le GFO.

1. S. Homkar, D. Preziosi, X. Devaux, C. Bouillet, J. Nordlander, M. Trassin, F. Roulland, C. Lefèvre, G. Versini, S. Barre, C. Leuvrey, M. Lenertz, M. Fiebig, G. Pourroy, N. Viart, Phys. Rev. Mater. 2019, 3, 124416.
2. T. Fache, J.C. Rojas-Sanchez, L. Badie, S. Mangin, S. Petit-Watelot, Phys. Rev. B 2020, 102, 064425.

L’énergie, la manipulation et le stockage de l’information sont sans aucun doute des enjeux sociétaux majeurs. Une manipulation de l’aimantation peu coûteuse en énergie, de préférence à des échelles de temps ultra courtes, est devenue un défi fondamental pour les technologies de mémoire du futur.
La voie la plus prometteuse actuellement est le couple de transfert spin-orbite (SOT) reposant sur l’effet Hall de spin (SHE), et cette voie a démontré sa pertinence pour les mémoires magnétiques de type MRAM. Cependant, il est encore nécessaire de diminuer la consommation en énergie de cet effet lié à un courant de charge.
Nous visons cet objectif grâce à l’intégration d’un matériau magnétoélectrique (ME), contrôlé par un champ électrique et non un courant, dans les architectures SOT à base de SHE. Cela offrira une possibilité de contrôler l’injection de spin par SOT dans le matériau ME par l’application d’une tension et permettra d’abaisser le courant de charge nécessaire pour le retournement d’aimantation. Cette manipulation assistée par champ électrique résultera en une diminution des constantes de temps de retournement de l'aimantation. Ce projet propose la première utilisation d’un matériau ME dans une mémoire à base de SOT, et d’importantes réductions en termes de consommation d’énergie sont en jeu.
Peu de matériaux sont ME et ferromagnétiques à température ambiante. Dans ce projet, nous utiliserons l’un de ces rares matériaux présentant une aimantation non nulle à température ambiante, le ferrite de gallium Ga0.6Fe1.4O3. Le projet est interdisciplinaire et mettra en œuvre des expertises scientifiques pour la réalisation des objectifs suivants : développement de matériaux, méthodes de lithographie, conception de dispositifs et techniques adaptés à l’étude du retournement de l’aimantation par SOT assisté par effet ME, pour de nouvelles applications telles que des capteurs et actionneurs en électronique de spin basse consommation.

L’innovation réside dans l'intégration, pour la première fois, d’un matériau multifonctionnel dans une architecture à effet Hall de spin, permettant l’ajout de nouvelles fonctionnalités à cette technologie d’avenir. Le contrôle à l’échelle atomique de l’interface entre la couche mince d’oxyde multifonctionnel et le matériau à fort couplage spin-orbite est l'un des défis à relever. Le projet comprend également la détermination des conditions d’utilisation de ces nouveaux outils. De nombreux avantages sont à attendre de cette étude des interfaces entre métal à fort couplage spin-orbite et oxyde magnétoélectrique, depuis l’acquisition de nouvelles connaissances fondamentales jusqu’à l’implémentation de la diminution de l’énergie nécessaire au retournement de l’aimantation dans des applications de spintronique.