Injection et détection de spin dans des nanostructures tout oxyde – SPINOXIDE

Un atout important encore peu exploré du semiconducteur à grand gap ZnO est son potentiel pour la spintronique. Ce matériau présente en effet une cohérence de spin à l’ambiante des plus longues parmi les semiconducteurs à gap direct (~200psec à l’ambiante) du fait de son très faible couplage spin-orbite, 100 fois plus petit que celui de GaAs. ZnO est par ailleurs façonnable sous toutes formes d’hétérostructures pour la microélectronique allant des puits quantiques aux nanofils. Ces deux types de nanostructures doivent permettre de gagner plusieurs ordres de grandeur sur des durées de vie de spin déjà importantes dans ZnO massif , tout en préservant un transport de spin dans le plan ou la direction axiale des fils, contrairement aux boites quantiques. Les propriétés optoélectroniques de ZnO pour l’émission et l’absorption sont, par ailleurs, excellentes. Enfin, de par sa nature chimique, ZnO est compatible avec les oxydes ferrimagnétiques ayant non seulement des températures de Curie élevées, mais aussi des polarisations en spin au niveau de Fermi bien plus élevées que celles des métaux ferromagnétiques.
Le but de SPINOXIDE est de capitaliser sur toutes ces propriétés, d’explorer la combinaison d'un oxyde ferrimagnétique ayant une Tc élevée avec l'oxyde semiconducteur ZnO pour obtenir une injection et détection de spin efficace à 300K sans dégrader les résistances de contact pour les futures transistors « beyond CMOS » et de réaliser des démonstrateurs fondés sur l’opto-spintronique (spin-photo-détecteurs ou émetteurs de lumière à « spin »). Compte-tenu des longueurs d’onde atteignables, de l'UV au visible, ces dispositifs sont pertinents pour différents types d’application « All-Optical Spin switching » en spintronique, mais aussi les analyses chirales pour l’industrie pharmaceutique ou des solutions plus avantageuses pour l’industrie de l’affichage ou des photodetecteurs intelligents.
Des nanostructures à base de puits quantiques et nanofils seront spécialement conçues pour augmenter davantage la durée de vie de spin des électrons, déjà élevée, dans ZnO en supprimant efficacement le mécanisme de relaxation Dyakonov-Perel pour les puits quantiques du fait de la forme particulière de l’hamiltonien spin-orbite dans la wurtzite, et pour les nanofils, du fait du confinement spatial 2D des électrons sur des dimensions bien inférieures à la longueur spin-orbite (typiquement de l’ordre du µm). Deux ferrimagnétiques, le semi-métal Fe3O4 et le semiconducteur Fe1.5Ti0.5O3) bien adaptés à ZnO et ayant le potentiel d’une injection de spin efficace (100% de polarisation en spin à l'ambiante), seront testés et le meilleur des deux choisi pour réaliser des démonstrateurs. Nos travaux préliminaires suggèrent d’ores et déjà le fort potentiel que pourraient avoir des nanofils cœur-coquille ZnO/Fe3O4 pour l’émission de lumière polarisée circulairement à l’ambiante sans besoin de champ magnétique externe.
Le succès de notre approche repose sur l'ensemble de briques constitutives individuelles, maîtrisées indépendamment par les partenaires du consortium, la gestion de risques bien identifiés, ainsi que des travaux préliminaires validant l'approche Fe3O4.