Ingénierie interfaciale du magnétisme dans les aimants 2D, les isolants topologiques et leurs hétérostructures

Interfacial Engineering of the Magnetism in 2D Magnets, Topological Insulators, and Their Heterostructures

• Auteur / Autrice : Hangtian Wang
• Direction : Stéphane Mangin, Weisheng Zhao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/10/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Beihang university (Pékin)
• 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 : Joerg Wunderlich
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mangin, Weisheng Zhao, Guoqiang Yu, Shunsuke Fukami, Na Lei, Grégory Malinowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joerg Wunderlich, Guoqiang Yu
• DOI : 10.70675/40a16ccbz91a5z4ea3z9da1z2cf73fa39228

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hétérostructures

Propriétés magnétiques

Interfaces (sciences physiques)

Isolants topologiques

Spintronique

Forces de Van der Waals

Aimants

Mots clés libres

Effet d'interface

Propriétés et matériaux magnétiques

Aimants van der Waals

Interfacial effect

Magnetic properties and materials

Van der Waals magnets

Résumé

Alors que le nœud critique des circuits intégrés (CI) entre dans la phase 1 nm, les matériaux tridimensionnels traditionnels ne peuvent pas conserver leurs propriétés physiques d'origine et ne peuvent donc pas répondre aux besoins des processus de fabrication des circuits intégrés. Parallèlement, la diminution de la largeur des lignes entraîne également une augmentation inévitable de la consommation d'énergie statique. Par conséquent, la recherche de nouveaux matériaux et de nouvelles technologies pour briser le « mur de taille » et le « mur de puissance » est devenue une direction cruciale dans l'industrie des circuits intégrés. En tant que nouveau membre de la famille des matériaux bidimensionnels (2D), les aimants 2D peuvent maintenir leur ordre magnétique à longue portée à l'échelle atomique avec leurs propriétés physiques facilement contrôlées par des stimuli externes, ce qui constitue une plate-forme idéale pour la haute densité et les dispositifs spintroniques de faible puissance. Cependant, en raison de l'effet dimensionnel, le magnétisme 2D ne peut pas exister à haute température. Bien que plusieurs méthodes puissent améliorer la température de Curie (Tc) des aimants 2D (comme le dopage, l'intercalation ionique ou le pompage laser), elles sont loin d'être faciles à contrôler et à haut rendement. Plus important encore, la méthode de préparation largement utilisée par exfoliation mécanique abandonne le mérite de l'effet interfacial 2D, qui s'est avéré être une approche importante pour une manipulation magnétique 2D efficace. Par conséquent, l'étude de l'effet interfacial dans les aimants 2D épitaxiaux est considérée comme un domaine clé pour obtenir un ordre ferromagnétique 2D stable, à grande échelle, à haute Tc, facile à contrôler. L'isolant topologique (TI) est un autre matériau 2D avec un fort couplage spin-orbital. Les états de surface protégés par la topologie ont fourni à TI de nombreux effets fascinants liés au spin, tels que le verrouillage de l'impulsion de spin, l'effet d'échange de spin, etc., ce qui fait de ce matériau un candidat potentiel pour fabriquer des dispositifs spintroniques efficaces. De plus, le TI peut être intégré à des aimants 2D pour former une hétérostructure 2D, dans laquelle non seulement le magnétisme peut être amélioré via l'effet d'interface, mais également les propriétés liées au spin de l'hétérostructure peuvent être manipulées grâce aux avantages de ces aimants.

With the critical node of integrated circuits (IC) entering the 1 nm stage, traditional three-dimensional materials cannot maintain their original physical properties, and thus cannot meet the needs of IC manufacturing processes. Meanwhile, the shrinking line width also introduces an inevitable increase in static power consumption. Therefore, researching new materials and new technologies to break through the ''Size Wall'' and ''Power Wall'' has become a crucial direction in the IC industry. As a new member of the two-dimensional (2D) material family, the 2D magnets can maintain its long-range magnetic order at the atomic scale with its physical properties easily controlled by external stimuli, which provides an ideal platform for the high-density and low-power spintronic devices. However, due to the dimensional effect, 2D magnetism cannot exist at high temperatures. Although several methods can enhance the Curie temperature (Tc) of 2D magnets (such as doping, ion intercalation, or laser pumping), they are far from easy-controllability and high-efficiency. More importantly, the widely-used preparation method via mechanical exfoliation abandons the merit of 2D interfacial effect, which was proved to be an important approach to efficient 2D magnetic manipulation. Therefore, studying the interfacial effect in epitaxial 2D magnets is regarded as a key field to achieving large-scale, high-Tc, easy-controlling, and stable 2D ferromagnetic order. Topological insulator (TI) is another 2D material with strong spin-orbital coupling. The topology-protected surface states provided TI with numerous fascinates spin-related effects, such as spin-momentum locking, spin exchange effect, etc., which makes this material a potential candidate to fabricate effective spintronic devices. In addition, the TI can be integrated with 2D magnets to form a 2D heterostructure, in which not only the magnetism can be enhanced via the interfacial effect, but also the spin-related properties of the heterostructure can be manipulated due to the advantages of these two materials.