Etude de l'oxyde magnétique semi-conducteur Fe2-xTixO3±δ : du contrôle de l'interaction d'échange à la polarisation de spin

Study of the magnetic and semiconducting oxide Fe2-xTixO3±δ : from exchange interaction to spin polarization

• Auteur / Autrice : Hervé Maurice Ndilimabaka
• Direction : Niels Keller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Versailles-St Quentin en Yvelines

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Oxyde ferrique

Spintronique

Résumé

Cette thèse porte sur l'étude des propriétés physiques, en films minces, de la solution solide Fe2-xTixO3-d (x=0. 5, 0. 7 et 1; 0<d<0. 35). La démarche s'insert dans le cadre de la recherche de nouveaux oxydes fonctionnels pour applications en spintronique. Le matériau est déposé par ablation laser sur Al2O3(0001). La croissance se fait suivant l'axe c de la structure hexagonale, selon la symétrie R-3c: les cations occupent indifféremment les 2/3 des sites octaédriques disponibles. Le volume de la maille augmente légèrement avec d et x. A température ambiante (Ta) le matériau est ferrimagnétique pour x=0. 5 et 0. 7. Une transition isolant/semi-conducteur dopé et une bande d'absorption apparaîssent également à Ta, lorsque d augmente et x diminue. L'origine de cette dernière semble associée à la formation par les lacunes d'oxygène, d'une bande d'impuretés (BI) dans le gap (direct). Mais sa position (~0. 6eV en desous de la bande de conduction (BC)) est trop profonde pour expliquer la conduction observée à Ta. D'autant plus que cette dernière se fait par activation thermique (Ea~132meV) des porteurs selon une loi de type Arrhenius. Ainsi il existerait également des niveaux discrêts juste au dessous de BC, dont l'absorption à Ta est masquée par BI. Lorsque la température baisse (T<110K), l'activation thermique est de plus en plus dominée par une conduction par sauts entre sites proches voisins (de BI?), sollicitant des niveaux d'énergie différents (Ea~52meV). Cela s'accompagne d'une transition magnétique super-échange->double échange avec axe facile hors du plan, et avec elle de la magnétorésistance.

This thesis is based upon the study of physical properties, in thin films (70 <thickness< 200nm) of the solid solution, Fe2-xTixO3- (x = 0. 5, 0. 7 and 1; 0<<0. 35). The approach deals with research on new functional oxides for spin electronics applications. This material is epitaxied by pulsed laser deposition method on Al2O3 (0001). The growth is along the hexagonal c-axis with R-3c symmetry: cations occupy indifferently the 2/3 of the available octahedral sites. The volume of the elementary cell slightly increases with both d and x. At room temperature (RT) the system is measured ferrimagnetic for x = 0. 5 and 0. 7. A doped semiconductor conduction and an absorption band also occur at RT, when increasing d and decreasing x. The origin of the latter seems to be associated with formation, by oxygen vacancies, of an impurity band (IB) in the (direct) gap. But its position (~0. 6 eV under the conduction band CB) is too deep to explain the electrical conduction observed at RT. Especially since the latter is thermally activated (Ea~132 meV ) according a Arrhenius-type law. So it seems to be some discrete electronic levels close to the minimum of CB that are responsible for the dc-conduction observed. But the optical absorption from these levels, at RT is hidden by IB. When temperature decreases, the Arrhenius-type activation process becomes increasingly dominated by nearest neighbor hopping mechanism (between IB states ?). The energy states associated with are definitely different : Ea~42 meV. A magnetic super-exchange->double-exchange type transition with an easy axis being out of plan and magnetoresistance phenomenon are observed around T~110K.