Nouveaux concepts théoriques pour la conception d'inferfaces d'oxydes avec des propiétés exotiques pour l'électronique et la spintronique

New theoretical concepts for designing oxide interfaces with exoticproperties for electronics and spintronics

• Auteur / Autrice : Aysegül Begüm Koçak
• Direction : Marie-Bernadette Lepetit, Philippe Ghosez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 06/09/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Liège
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Mercey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Bousquet, Laurence Magaud
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Roberto Dovesi, Xavier Rocquefelte

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Couches minces

Mots clés libres

Théorie

Structure électronique

Calculs ab initio

Films minces et super-Réseaux

Interfaces

Oxydes

Theory

Electronic structure

Ab initio calculations

Thin films and super-Lattices

Interfaces

Oxides

Résumé

Au cours de cette thèse, nous avons étudiés théoriquement les propriétés structurelles et électroniques des super-réseaux d'oxyde de manganèse en structure perovskiteö au moyen de calculs ab initio.Les oxydes de manganèse au lanthane, donnés avec la formule générique La(1-x)A(x)MnO(3) (LAMO) (A un élément divalent), constituent une classe importante d'oxydes de manganèse en raison de leurs diverses propriétés, telles que l'effet de magnétorésistance colossale, leur riche diagramme de phase en fonction du dopage, de la température ou de champs externes, et leur grande température Curie. Ces propriétés peuvent être exploitées dans de nombreuses applications technologiques potentielles telles que les valves de spin ou les injecteurs de spin. Le contrôle des propriétés de ces matériaux peut se faire par dépôt sous forme de films minces ou comme blocs de construction dans des super-réseaux. Lorsque x = 1/3, le La(1-x)A(x)MnO(3) massif est ferromagnétique et métallique grâce au mécanisme de double échange dans la electrons 3d de Mn. Lorsque Mn est dans un état de valence mixte, les orbitales eg (dx2-y2 and dz2) sont partiellement occupées et peuvent se délocaliser sur les atomes de Mn voisins, seulement si ceux-ci sont alignés ferromagnétiquement. Dans des films très minces, puisque la direction perpendiculaire au substrat, c, n'a que quelques cellules unitaires d'épaisseur, seules les interactions dans le plan (ab) sont importantes pour les propriétés thermodynamiques. En agissant sur la géométrie de la couche LAMO, on peut ainsi maximiser l'occupation de l'orbitales dx2-y2 et augmenter l'échange magnétique et la température Curie associée.Notre but était donc de concevoir de nouveaux matériaux avec un ordre orbital 3d spécifique afin d'assurer les propriétés magnétiques souhaitées.Dans cette thèse, nous avons travaillé sur deux types de super-réseaux. Le premier était constitué de deux oxydes de manganèse antiferromagnétiques, non dopés, LaMnO(3) et SrMnO(3), c'est-à-dire des super-réseaux [LaMnO(3)]n/[SrMnO(3)]m. Nous avons étudié l'état fondamental magnétique pour différentes valeurs n et m afin d'expliquer les résultats expérimentaux surprenants. Le deuxième type de super-réseaux que nous avons étudiés est composé de couches métalliques LAMO en alternance avec des couches isolantes. En effet, les super-réseaux avec des interfaces métal-isolant ont un grand potentiel dans les applications de valves de spin. Ainsi, nous avons d'abord considéré des super-réseaux entre composés ferromagnétiques-métalliques et ferroélectriques-isolantes [LAMO](3)/[BTiO(3)](3) (A = Sr ou Ba, B = Ba ou Pb). Dans ces super-réseaux, les propriétés magnétiques sont malheuresement réduites en raison de la délocalisation d'électrons dz2 à l'interface entre Mn et Ti. Dans de tels super-réseaux , nous avons clarifié le rôle de la polarisation des couches ferroélectriques et le rôle des mouvements antiferrodistortifs dans les couches de manganite. Enfin, de manierè à 'éviter que la délocalisation ait lieu à l'interface, nous avons conçu un autre super-réseau avec interface métal-isolant dans lequel nous avons remplacé l'isolant (BTiO(3)) par un oxyde simple (BO): [LAMO]n/[BO]p superlattices (A = Sr ou Ba, B = Ba, Sr ou Mg et n = 3 ou 6, p = 6 ou 2). Dans ces nouveaux super-réseaux, nous avons réussi à promouvoir les occupations des orbitales dx2-y2 dans les interfaces assurant un fort moment magnetique à l'interface et a priori une fort temperature de Curie. Nous avons également montré une faible corrélation entre la conductivité électrique et l'ordre orbitaire.

This thesis theoretically studies structural and electronic properties of perovskite manganese oxide superlattices by means of ab-initio calculations.Lanthanum manganese oxides, given with the generic formula La1−xAxMnO3 (LAMO) (A a divalent element), are an important class of perovskite manganese oxides due to their various exotic properties, such as giant and colossal magnetoresistance effect, rich phase diagrams with respect to doping, temperature or external fields, and intinsic large Curie temperature. These properties can be exploited in many potential technological applications such as spin valves or spin injectors. Controlling the properties of these materials can be done through deposition as thin films or as building blocks in superlattices. When x = 1/3, bulk La1−xAxMnO3 is ferromagnetic and metallic due to the double-exchange mechanism in the Mn 3d shell. When Mn is in a mixed valence state, the eg orbitals (dx2-y2 and dz2) are partially occupied, and can delocalize on neighboring Mn atoms only if the latter are ferromagnetically aligned. In very thin films, since the direction perpendicular to the substrate, c, is only a few unit cell thick, only in-plane (ab) interactions are important for the thermodynamic properties. By acting on the LAMO layer geometry, one can thus maximize the dx2-y2 occupancy and increase the magnetic exchange and related Curie temperature.Our aim was thus to design new materials with desired 3d orbital order so that to ensure desired magnetic properties.In this thesis, we worked on two types of superlattices. The first one was made of two undoped antiferromagnetic manganese oxides LaMnO3 and SrMnO3, i.e. [LaMnO3]n/[SrMnO3]m superlattices. We investigated the magnetic ground state for different n and m values in order to explain suprising experimental results. The second type of superlattices is composed of metallic LAMO layers with alternated insulating layers. Indeed, the superlattices with metal-insulator interfaces have a great potential in spin valves applications. Thus, we first considered the ferromagnetic-metallic/ferroelectric-insulating [LAMO]3/[BTiO3]3 superlattices (A= Sr or Ba, B=Ba or Pb) where the magnetic properties are reduced due to delocalization of dz2 electrons at the interface from Mn to Ti. In such superlattices, we clarified the role of the polarization of the ferroelectric layers and the role of the antiferrodistortive motions in the manganite layers. In order to prevent the delocalization taking place at the interface, we designed another superlattice with metallic-insulator interface where we replaced the insulator (BTiO3) with a simple oxide (BO); that is [LAMO]n/[BO]p superlattices (A= Sr or Ba, B=Ba, Sr or Mg and n=3 or 6, p=6 or 2). Within this new superlattice, we successully managed to promote dx2-y2 orbital occupancies at the interfaces which ensures a large magnetic moment at the interfaces and an expected large Curie temperature. We also showed the weak correlation between electrical conductivity and orbital ordering.