Les alliages d'Heusler pour la spinorbitronique : exploration des effets topologiques et ingénierie d'anisotropie magnétique

Heusler compounds for spin-orbitronics : exploration of topological effects and magnetic anisotropy engineering

• Auteur / Autrice : Victor Palin
• Direction : Stéphane Andrieu, François Bertran
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/03/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy, Metz ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Yannick Fagot-Revurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Andrieu, François Bertran, Lisa Michez, Matthieu Jamet, Amina Taleb
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lisa Michez, Matthieu Jamet
• DOI : 10.70675/84ec4d2fz96b5z463bz981fz5ce9a4d894e5

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Isolants topologiques

Alliages de Heusler

Propriétés électroniques

Spintronique

Mots clés libres

Anisotropie magnétique

Isolant topologique

Alliages Heusler

Propriétés électroniques

Spinorbitronique

Magnetic anisotropy

Electronic properties

Topological insulator

Heusler alloys

Spinorbitronic

Résumé

Au cours des dernières décennies les besoins en capacité de stockage ont explosé avec l’avènement de l’ordinateur. La crise énergétique que nous traversons au 21eme siècle nécessite le développement de nouveaux matériaux pour le stockage de l’information. C’est dans ce but que les physiciens ont développé de nouvelles façons de stocker l’information de façon à réduire la taille, la consommation énergétique et le coût de fabrication des mémoires tout en augmentant leurs capacités et la vitesse de traitement de l’information. Les recherches réalisées au cours de cette thèse visent à améliorer le stockage de l’information à l'aide des deux champs de recherches suivants :- Le premier se base sur l’utilisation de matériaux émergents dans le domaine de la recherche scientifique : les isolants topologiques. Ces matériaux possèdent des textures de spin particulières susceptibles de générer une conversion très élevée entre courant de spin et courant de charge. Cet état de la matière (non trivial topologiquement) peut s’avérer complexe à stabiliser et à imager. C’est l’objectif de la première partie de cette thèse où des isolants topologiques provenant de la famille des demi-Heusler sont fabriqués par épitaxie par jets moléculaires. La caractérisation structurale par diffraction des rayons X et électronique ainsi que par microscopie à effet tunnel et microscopie électronique à transmission confirme la croissance épitaxiale dans la structure désirée prédite comme ayant une topologie non triviale. La spectroscopie photoélectrique résolue en angle révèle la présence d'états linéaires autour du point Γ de la zone de Brillouin. Néanmoins, les surfaces de Fermi obtenues sont complexes et ne permettent pas de tirer des conclusions claires sur la nature non triviale des composés. Des mesures de transport ont été effectuées pour tester l'efficacité potentielle d'interconversion de nos composés et les expériences de spin Seebeck révèlent une conversion spin/charge deux à trois fois plus élevée dans nos isolants toplogiques comparés à un échantillon témoin de Pt.- La seconde étude réalisée afin d'améliorer les mémoires magnétiques conventionnelles porte sur l’anisotropie magnétique. Ici encore les alliages d’Heusler offrent une grande variété de composés permettant de répondre à ce but. La famille de composés Mn3Z (Z = Ge, Ga) a beaucoup attiré l’attention du fait de sa maille élémentaire tetragonalisée permettant de stabiliser une aimantation perpendiculaire et cela même dans une géométrie de film mince. Dans cette thèse, nous étudions les alliages Mn(100-x)Ga(x) et Mn(100-x)Ge(x) et parvenons à les stabiliser dans leur structure D0(22) offrant une aimantation perpendiculaire. Un zoom est ensuite porté sur des empilements (bicouches et super-réseaux) à base de Mn3Ge et composés d'un second alliage d'Heusler aux propriétés remarquables, la famille Co2MnZ' (Z' = Si, Ge). Les composés Co2MnZ' ont un comportement semi-métallique leur conférant un faible amortissement magnétique et une polarisation en spin de 100% au niveau de Fermi, deux propriétés très souhaitées pour des applications basées sur le couple transfert de spin. Nous développons donc ici des hétérostructures Mn3Ge/Co2MnZ' (bicouches et super-réseaux) et parvenons à faire croître les deux composés dans les structures souhaitées. Le système global possède une aimantation perpendiculaire (amenée par Mn3Ge), la dernière couche de l'empilement est un demi-métal magnétique (amené par Co2MnZ') et les épaisseurs utilisées pour les deux couches permet d'accorder les propriétés magnétiques et d'obtenir 100% de rémanence.

Over the last decades, the needs in storage capacity as shot up with computing development. The energy crisis that we are going through in the 21th century requires to develop new fundamental materials for data storage. It was with this purpose that physicist develop new ways to store information in order to reduce device’s scale, energy consumption and manufacturing cost while memories’ size and information’s speed has shot up. The research conducted in this thesis make use of two different ways to improve data storage:- The first one is by using emerging materials in science, called topological insulator, that host peculiar spin texture predicted to generate very high spin-to-charge interconversion. This non-trivial state of matter can be complex to stabilize and image. This is the goal of the first part of this thesis where topological insulators coming from the half-Heusler family are engineered by molecular beam epitaxy. Structural characterization are carried out by X-ray and electronic diffraction along with scanning tunneling microscopy and transmission electron microscopy that confirm an epitaxial growth in the desired structure predicted to host a non-trivial topology. Angle resolved photoemission spectroscopy is performed and reveals the presence of linear states around the Γ point of the Brillouin zone. Nonetheless, the complex Fermi surfaces imaged do not allow to draw clear conclusions on the non-trivial nature of both alloys. Transport measurements were performed to test the potential interconversion efficiency of our compounds and spin Seebeck experiments revealed a spin-to-charge conversion two to three times higher in our TIs compared to a Pt control sample.- The second way chosen to improve conventional magnetic memories is by playing with magnetic anisotropy. Here again, Heusler family offers a vast variety of compounds allowing to fulfill this goal. The Mn3Z family compounds has attracted a lot of attention owing to their tetragonalized unit cell that allows to stabilize perpendicular magnetic anisotropy (PMA) even in a thin film geometry. In this thesis, we investigate Mn(100-x)Ga(x) and Mn(100-x)Ge(x) alloys and manage to stabilize them in their D0(22) structure that offers PMA. A peculiar zoom is then done on Mn3Ge-based stacks composed of a second Heusler alloy with remarkable properties, the Co2MnZ’ family (Z' = Si, Ge). Co2MnZ’ compounds have a half-metallic behavior making them very suitable for spin transfer torque related applications due to their low magnetic damping and full spin polarization at the Fermi level. Here we develop Mn3Ge/Co2MnZ' heterostructures (bilayers and superlattices) and manage to grow both compounds in the desired structures. The overall system is perpendicularly magnetized (thanks to Mn3Ge), terminated with a half-metal magnet (thanks to Co2MnZ') and the thicknesses used for both layers allow to tune the magnetic properties and obtained 100% of remanence.