Injection/detection de spin à champ magnétique nul dans des dispositifs SpinOptroniques à base de Semiconducteurs 2D – SIZMO2D

SIZMO2D est dédié à la fabrication et à l’étude de dispositifs pour la spin-optronique (diodes électroluminescentes polarisées en spin (SpinLEDs) et Spin-Photodiodes) permettant de convertir des courant de spin en photons polarisés circulairement, et vice-versa. Ces systèmes hybrides seront constitués de semi-conducteurs (SC) bi-dimensionnels (2D) à base de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) sous forme de mono-feuillets (MoS2, WSe2, MoTe2 …), éventuellement encapsulés dans hBN, et tireront partie des longs temps de relaxation de spin des porteurs (de l’ordre de la µs) mesurés récemment dans ces mono-couches (ML), lorsque les spins sont orientés perpendiculairement aux feuillets. Afin d’injecter les spins avec cette orientation et de travailler à champ magnétique nul, des électrodes présentant de l’Anisotropie Magnétique Perpendiculaire (PMA) seront déposées sur les TMDCs. Elles seront constituées de métaux ferromagnétiques (FM) tels que du CoFeB ultra-fin (ou Ni ultra-fin, multi-couches [Co/Ni](111) ...) couplés à des barrières tunnel de MgO ou hBN, ou bien utiliseront comme barrière tunnel magnétiques les matériaux 2D magnétiques récemment découverts comme CrBr3, CrI3, or VSe2. Le projet sera organisé en 4 parties. WP1 sera dédié à la fabrication des dispositifs. Des MLs de TMDCs de haute qualité seront obtenues par exfoliation sous atmosphère contrôlée, avec encapsulation par hBN. L’IJL se concentrera sur le dépôt par pulvérisation cathodique d’électrodes présentant de la PMA sur les TMDCs. Les électrodes basées sur l’utilisation de matériaux 2D magnétiques seront fabriquées au LPCNO par exfoliation (hétéro-structures de Van der Waals). Des jonctions p-n planaires seront réalisées en combinant des flocons de SC 2D dopés n et p. Les dispositifs pour le Spin-pumping, le magnéto-transport, le spin-photo-voltage, les Spin-photodiodes et les SpinLEDs seront ensuite préparés par lithographie électronique. WP2 sera centré sur l’étude des interfaces FM/TMDC, à l’aide de caractérisations magnétiques (microscopie Kerr et MFM), de microscopie HR-TEM, ainsi que via des mesures de magnéto-transport (locales et non locales). Des expériences de Spin pumping basées sur la Résonance FM apporteront également des informations sur les propriétés de spin à l’interface FM/TMDC. Dans WP3, les propriétés optiques et de spin/vallée des heterostructures seront analysées par micro-photoluminescence (PL), par réflectivité, et par PL résolue en temps et en polarisation (échelle picoseconde), entre 5 et 300K. Les dispositifs finaux pour le Spin-photo-voltage, les spin-Photodiodes et les SpinLEDs seront mesurés grâce à des bancs adaptés de photo-voltage/courant et d’électroluminescence sous champ magnétique (0-7T). WP4 sera dédié à la modélisation des propriétés des interfaces, via des calculs ab-initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Ces calculs permettront d’identifier les états électroniques aux interfaces, leur contribution au transport de spin, et serviront de support pour l’interprétation des expériences. Enfin, un modèle analytique sera développé pour décrire les expériences de spin-photocourant. Ce projet regroupe quatre laboratoires complémentaires: le LPCNO (exfoliation, spin/optique), l’IJL (croissance d’injecteur avec PMA, nanolithographie, HR-TEM), l’UMPhy CNRS-Thalès (MFM, effet Kerr, Spin Pumping) et le CEMES (calculs ab-initio). Il devrait amener des avancées sur la compréhension des mécanismes de transport de spin aux interfaces FM/TMDC, dans un domaine actuellement en plein essor. La démonstration de SpinLEDs et Spin-photodiodes ultra-fines fonctionnant en l’absence de champs magnétiques externes appliqués ouvrirait la voie à une nouvelle génération de dispositifs spin-optroniques qui pourraient avoir des applications dans le domaine des télécommunications en espace libre, en cryptographie et information quantique, dans l’affichage 3D, ainsi qu’en biologie pour les analyses de chiralité…