Contrôle électrique de l'aimantation dans les hétérostructures van der Waals épitaxiées – ELMAX

La méthode la plus répandue pour fabriquer des cristaux 2D est l’exfoliation mécanique : des feuillets atomiques d’un matériaux massif sont retirés superficiellement à l’aide d’un simple ruban adhésif, puis déposés sur un substrat ou sur un autre feuillet. Bien que peu coûteuse et facile à mettre en place, cette méthode fournit des flocons d’épaisseur aléatoire et de taille micrométrique. Le projet adopte une approche originale, en utilisant la technique « d’épitaxie par jets moléculaires ». Cette technique consiste à faire directement pousser le cristal sur un substrat, couche atomique par couche atomique. Elle permet de former des couches de très grande uniformité sur plusieurs centimètres carrés, avec un contrôle très fin de la composition chimique et de l’épaisseur. Cette méthode permet également d’empiler des matériaux différents avec des interfaces très bien maîtrisées à l’échelle atomique. Dans le cadre du projet, ce sont des matériaux contenant du sélénium et du tellure qui sont étudiés car ces éléments chimiques ont une forte tendance à former des cristaux de van der Waals lorsqu’ils sont associés à des éléments métalliques.

Le premier volet du projet consiste à optimiser la croissance de ces cristaux et à documenter de manière approfondie leurs propriétés structurales, chimiques, électroniques et magnétiques à l’aide de mesures physiques effectuées au laboratoire et sur synchrotron. Dans un second temps, des dispositifs micrométriques sont fabriqués en salle blanche à partir de ces multicouches, afin d’étudier l’effet d’un courant électrique sur l’aimantation.

Le projet aboutit sur des progrès significatifs en termes de synthèse de matériaux van der Waals, que ce soit des « générateurs de spins » comme le diséléniure de platine (PtSe2) ou des cristaux 2D magnétiques comme certains alliages de fer, germanium et tellure (FexGeTe2) ou de chrome et tellure. Un résultat remarquable – une première mondiale – est la croissance par épitaxie de cristaux de Fe5GeTe2 dont le magnétisme persiste jusqu’à la température ambiante.

Une collaboration avec les laboratoires LPENS et LAF a permis de mettre en évidence la capacité du PtSe2 à convertir courants de charge et courants de spin, et même d’amplifier cet effet par proximité avec une couche atomiquement fine de diséléniure de molybdène (MoSe2). Des résultats très concluants ont également été obtenus avec des dispositifs associant le FexGeTe2 à des matériaux van der Waals appelés « isolants topologiques », en collaboration avec l’ICN2 Barcelone. Pour la première fois, les effets d’un courant électrique sur l’aimantation du FexGeTe2 ont pu être quantifiés, et une efficacité supérieure à celle observée avec les matériaux traditionnels a été mesurée. Le projet a finalement démontré le retournement contrôlé et réversible de l’aimantation par des impulsions de courant, confirmant le fort potentiel de ces interfaces van der Waals pour la spintronique.

Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à de nouvelles études des cristaux de van der Waals pour la spintronique. L’efficacité de manipulation électrique de l’aimantation ainsi que les températures d’ordre magnétique sont encore trop faibles pour des applications pratiques telles que les mémoires magnétiques. De nouvelles associations de matériaux doivent être explorées, ce qui doit s’accompagner d’un travail théorique pour mieux comprendre ces phénomènes à l’échelle microscopique et prédire les combinaisons de matériaux les plus prometteuses.

Parmi les matériaux développés, le composé FexGeTe2 présente l’intérêt d’avoir des propriétés magnétiques ajustables par la composition chimique, ce qui en fait un matériau très versatile. Des pistes de recherche amorcées au cours du projet consistent à moduler ces propriétés par dopage, à stabiliser des nano-objets magnétiques, mais également à intégrer ce matériau dans d’autres types de dispositifs utilisés en spintronique, comme les jonctions tunnel magnétiques, ou dans des dispositifs pour le transport quantique.

Le projet ELMAX consiste à étudier les effets magneto-électriques dans les multicouches purement van der Waals fabriquées par épitaxie par jets moléculaires. La découverte récente des ferromagnétiques 2D a permis l’étude de dispositifs spintroniques entièrement constitués de matériaux van der Waals. ELMAX initiera l’étude de ces dispositifs afin de démontrer le contrôle électrique de l’aimantation. Une composante du projet sera dédiée à la croissance et caractérisation de ferromagnétiques 2D par épitaxie par jets moléculaires. Le couplage entre aimantation et champs électriques sera optimisé par interfaçage des ferromagnétiques 2D avec des matériaux à fort couplage spin-orbite : dichalcogénures de métaux de transition et isolants topologiques. Deux effets seront étudiés par magnéto-transport : l’effet galvanique de spin et le contrôle de l’anisotropie magnétique par champ électrique. Les deux approchent visent à réaliser le retournement d’aimantation dans un dispositif purement 2D.