Anisotropie magnétique des semi-conducteurs II-VI dopés au manganèse

par Adrien Savoyant

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Anatoli Stepanov.

Soutenue en 2010

à Aix-Marseille 3 .

  • Titre traduit

    Magnetic anisotropy of manganese doped II-VI semi conductors


  • Résumé

    Cette thèse est une étude théorique de l'anisotropie magnétique, ionique et d'échange, des Semi-conducteurs Magnétiques Dilués (DMS), des matériaux pour l'électronique de spin. Nous avons passé en revue les différentes approches, numériques et perturbatives, utilisées par le passé dans le calcul de l'anisotropie ionique des ion S de transition (Cr+, Mn2+, Fe3+) puis avons mis au point un modèle microscopique réaliste d'ion S dans un semi-conducteur II-VI, prenant en compte les interactions électrostatiques avec l'ensemble du cristal, l'hybridation des électrons 3d de l'ion S avec ceux des anions premiers voisins, l'interaction spin-orbite et la répulsion coulombienne dans la couche 3d|. Un hamiltonien réaliste pour les impuretés magnétiques Mn2+ a ainsi été établi et ses valeurs propres ont été calculées exactement par un code numérique en Fortran 95 et de manière approchée par théorie des perturbations à l'ordre 4. Nous avons ensuite appliqué notre modèle au cas des trois DMS II-VI dopés au manganèse de structure wurtzite, ZnO :Mn, CdS :Mn et CdSe :Mn. Nos résultats sont en bon accord avec les mesures RPE d'anisotropie ionique et une corrélation hybridation/déformation est suggérée. Nous nous sommes ensuite intéressés au superéchange antiferromagnétique entre ions magnétiques dans les isolants magnétiques. Un calcul perturbatifs à l'ordre 4 a permis de calculer les constantes de superéchange d'une paire d'ions Mn2+ dans les DMS II-VI. Les résultats sont en bon accord avec les mesures de marches d'aimantation et de diffusion inélastique de neutrons. Nous avons pu expliquer l'observation de deux constantes d'échange premiers voisins dans les DMS wurtzite par un processus d'échange bouclé ferromagnétique présent uniquement pour les paires hors du plan hexagonal. Nou avons ainsi précisé la règle de Goodenough-Kanamori pour les ions 3d5.


  • Résumé

    This thesis is a theoretical study of ionic and exchange magnetic amsetropyof Diluted Magnetic Semiconductors (DMS), materials for spintronics. We have checked the various numerical and analytical approaches undertook before in order to calculate the single ion anisotropy of S-state transition ions (Cr+, Mn2+, Fe3+), and then have developed a realistic microscopic model of an S ion in a II-VI semiconductor, taking in account the electrostatic interaction with the whole crystal, hybridization of S ion 3d electrons with those of the nearest neighbors, spin-orbit interaction and iallia. D Coulomb repulsion. A realistic Hamiltonian for Mn2+ magnetic impurities has then been written and its eigenvalues have been exactly obtained by a F95 numerical code and approximatively by fourth order perturbation theory. We then have applied our model to the three wurtzite II-VI DMS doped by manganese, ZnO :Mn, CdS :Mn et OdSe :Mn. Our results are in good agreement with the EPR measurements of ionic anisotropy and a correlation between hybridization and deformation is suggested. We then have been interested by the antiferromagnetic superexchange between magnetic ions in insulators. A fourth order perfurbation theory allowed us to calculate the superexchange constants of an Mn2+ pair in II-VI DMS. Results are in good agreements with Magnetization Step (MST) and Inelastic Neutron Scattering (INS) experiments. By the way, we have been able to explain the observation of two nearest neighbors exchange constants in wurtzite DMS by a ferromagnetic Ring Exchange process, only presents for out-of-(hexagonal) plane pairs. The Goodenough-Kanamori rule has then been precised for the 3d5 ions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p .)
  • Annexes : Bibliogr. p. 155-159

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  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. Saint-Jérôme). Service commun de la documentation. Bibliothèque de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 200072240
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