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Contrôle ferroélectrique de la spinterface organique/ferromagnétique – FEOrgSpin

Contrôle ferroélectrique de la spinterface organique/ferromagnétique

L’interface hybride métal ferromagnétique/organique, connue sous le nom de “spinterface”, peut dissimuler des propriétés filtrantes de spin très efficaces et présente une classe prometteuse de matériaux pour des dispositifs futurs de spintronique. Nos récentes découvertes démontrent que la polarisation de spin à la spinterface polyfluorure vinylidène (PVDF)/Co peut être activement modulée (elle peut même changer de signe) en basculant la polarisation ferroélectrique du PVDF.

Contrôle ferroélectrique de la polarisation de spin à différentes spinterfaces FE-Org/FM et développer de nouvelles fonctionnalités de dispositifs de spintronique basées sur des FE-organiques

Les principaux objectifs du projet sont les suivants :<br />Objectif 1 : Explorer différents types de matériaux organiques ferroélectriques pour comprendre la modulation FE de la polarisation de spin;<br />Objectif 2 : Ingénierer l’interface avec différents métaux FM pour étudier la polarisation de spin et le changement d'énergie de l'anisotropie magnétique induits par la commutation de la polarisation FE-organique;<br />Objectif 3 : Transférer la structure optimisée de FE-organique/FM-métal vers une nouvelle fonctionnalité du dispositif spintronique ;<br />a. Stockage multi-états à haute performance basé sur des MFTJ à base de FE-Org sur un substrat flexible à température ambiante ;<br />b. Contrôle ferroélectrique du pompage de spin et de l'effet Hall de spin inverse;<br />c. Contrôle ferroélectrique de l'injection de spin dans des structures semi-conductrices (GaAs, Si...).

1. Synthèses et caractérisations de la structure de la couche mince de FE-Org
Nous synthétisons des couches minces de FE-Org par des méthodes de revêtement par centrifugation ou LB. Les bonnes propriétés de FE et de tunnel de FE-Org seront d'abord optimisées par des caractérisations PFM et par la microscopie à force atomique conductrice (C-AFM). Le TEM sera utilisé pour caractériser la diffusion à l'interface métal/organique. L'ARXPS peut être utilisé pour étudier la structure électronique à l'interface FE-Org/FM.
2. Caractérisation du magnéto-transport
Le dispositif avec la structure de jonction de FM/FE-Org/FM sera fabriqué sur différents substrats, y compris un substrat flexible. Nous pouvons soit utiliser un masque in-situ pur une jonction de grande taille, soit élaborer des jonctions tunnel de taille nanométrique (10^4 nm^2) avec une épaisseur de barrière organique contrôlée par Conductive Tip-AFM (CT-AFM). Les mesures de magnéto-transport nous permettront de caractériser la magnétorésistance à effet tunnel (TMR) et l'électrorésistance à effet tunnel (TER) de nos dispositifs.
3. Calcul ab-initio
Des calculs ab initio seront nécessaires pour évaluer la spin-polarisation à l'interface et pour élucider les mécanismes de l'effet TMR observés et proposer une nouvelle structure organique pour une modulation FE efficace de la spin-polarisation.

1. Nous avons observé la présence des «canaux malades« ferroélectrique dans la barrière organique, qui peut effectivement épingler le domaine ferroélectrique, entraînant une polarisation de spin non commutable à l'interface FM/FE-Org. En particulier, des OMFTJ basés sur des structures La0.6Sr0.4MnO3/P(VDF-TrFE) (t)/Co/Au avec différentes épaisseurs de P(VDF-TrFE) (t) ont été fabriqués. Il a été démontré que les structures en nid d'abeille à la frontière entre les grains en forme d'aiguilles de P(VDF-TrFE) induisent des «canaux malades« qui empêchent une polarisation ferroélectrique efficace de la barrière organique et entraînent l'extinction de la commutation de la polarisation de spin à l'interface Co/P(VDF-TrFE). La mise en évidence du mécanisme des «canaux malades« ferroélectriques est important pour améliorer les performances de l'OMFTJ et maîtriser la condition clé pour un contrôle ferroélectrique efficace de la polarisation de spin de la «spinterface». Ce travail a été publié dans [ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 30614 (2018)].
2. Nous avons fabriqué une jonction tunnel organique multiferroïque (OMFTJ) basée sur une barrière organique du nanocomposite Poly(fluorure de vinylidène) (PVDF):Fe3O4. En ajoutant des nanoparticules de Fe3O4 dans la barrière PVDF, nous avons constaté que les propriétés ferroélectriques de l'OMFTJ sont considérablement améliorées par rapport à celles d'une barrière PVDF pure. Cela peut conduire à des électrorésistances par effet tunnel d'environ 450 % à 10 K et 100 % à température ambiante (RT), qui sont beaucoup plus élevées que celles du dispositif à base de PVDF pur (70 % à 10 K et 7 % à RT). Les OMFTJ basés sur le nanocomposite PVDF:Fe3O4 pourraient ouvrir de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs multiferroïques intelligents grâce à l'interaction du magnétisme des nanoparticules avec la ferroélectricité de la barrière organique. Ce travail a été publié dans [Appl. Phys. Lett. 116, 152905 (2020)].

Ce projet ouvrira de nouvelles fonctionnalités pour contrôler l'injection de la polarisation de spin dans les matériaux organiques via la polarisation ferroélectrique de la barrière. Le produit de ce projet conduira aux nouvelles fonctionnalités du dispositif spintronique basé sur des matériaux organiques ferroélectriques, ce qui a certainement un impact significatif sur la science et la technologie actuelles de l'information. Par exemple, le jonction tunnel multiferroïque organique fonctionnant à température ambiante sera intégré sur le substrat flexible pour être utilisé comme capteur magnétique dans des applications de peau de robot et de dispositifs portables (marché de 20 milliards de dollars en 2020). Si nous pouvons intégrer FE-Org avec un semi-conducteur non magnétique (GaAs, Si...) comme barrière de tunnel, en commutant ferroélectriquement la polarisation de FE-Org, nous pourrions contrôler électriquement la direction d'injection du spin sans aucun champ magnétique, ce qui pourrait favoriser considérablement l'application pratique de la spintronique des semi-conducteurs (par exemple, diode électroluminescente de spin et laser de spin).

Publications:
1. Shiheng Liang, et al., “Quenching of Spin Polarization Switching in Organic Multiferroic Tunnel Junctions by Ferroelectric ‘Ailing-Channel’ in Organic Barrier”, ACS Applied Materials & Interfaces, 10, 30614 (2018).
2. Xue Gao, et al., “Enhancement of ferroelectric performance in PVDF:Fe3O4 nanocomposite based organic multiferroic tunnel junctions”, Applied Physics Letters 116, 152905 (2020).
3. Can Xiao, et al., “Temperature dependence of transport mechanisms in organic multiferroic tunnel junctions”, Journal of Physics D: Applied Physics 53, 325301 (2020).
4. F. Ibrahim, et al., «Unveiling multiferroic proximity effect in graphene«, 2D Materials 7, 015020 (2020)

Communications:
1. Shiheng Liang, et al., «Ferroelectric Control of Organic/Ferromagnetic Spinterface«, 7th International Meeting on Spin in Organic Semiconductors (SpinOS 2018), August 13-16, 2018, Halle (Saale) Germany.(poster)
2. Shiheng Liang, et al., «Quenching of Spin Polarization Switching in Organic Multiferroic Tunnel Junctions by Ferroelectric “Ailing-Channel” in Organic Barrier», Forum des microscopies à sonde locale – 19-22 mars 2019 – Carry-le-Rouet (poster)
3. M. Chshiev, “Spin-Orbit and Magnetic Proximity-Induced Phenomena in Nanostructures Comprising Transition Metals, Insulators and 2D Materials “, Online Spintronics Seminar Series, June 26, 2020 (invited talk)

L’interface hybride métal ferromagnétique/organique, connue sous le nom de “spinterface”, peut dissimuler des propriétés filtrantes de spin très efficaces et présente une classe prometteuse de matériaux pour des dispositifs futurs de spintronique. Cependant, la polarisation de spin de la spinterface au niveau de Fermi peut être différente ou même de signe contraire à celle de l’électrode ferromagnétique adjacente. Nos récentes découvertes démontrent que la polarisation de spin à la spinterface polyfluorure vinylidène (PVDF)/Co peut être activement modulée (elle peut même changer de signe) en basculant la polarisation ferroélectrique du PVDF. Dans ce projet, nous souhaitons élargir nos connaissances sur le contrôle ferroélectrique de la polarisation de spin à différentes spinterfaces ferroélectriques organiques/ferromagnétiques et développer de nouvelles fonctionnalités de dispositifs de spintronique basées sur des ferroélectriques organiques.

Coordination du projet

Yuan LU (Institut Jean Lamour)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SPINTEC Spintronique et Technologie des Composants
UCCS Unité de Catalyse et de Chimie du Solide
IPR INSTITUT DE PHYSIQUE DE RENNES
IJL Institut Jean Lamour

Aide de l'ANR 652 951 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2018 - 36 Mois

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