Microscopie à émission d’électrons balistiques : du magnétotransport d’électrons chauds à l’imagerie magnétique

par Marie Hervé

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Schieffer et de Pascal Turban.

Soutenue le 12-07-2013

à Rennes 1 , dans le cadre de École doctorale Sciences de la matière (Rennes) , en partenariat avec Institut de physique (Rennes) (laboratoire) et de Université européenne de Bretagne (PRES) .


  • Résumé

    Au cours de ces travaux de thèse, nous avons étudié par microscopie magnétique à émission d’électrons balistiques (BEMM) les propriétés de magnétotransport d’électrons chauds de la vanne de spin Fe/Au/Fe épitaxiée sur GaAs(001). Dans ces expériences, la pointe d’un microscope à effet tunnel (STM) injecte localement un courant d’électrons chauds à la surface de la vanne de spin. La mesure sous champ magnétique du courant d’électrons balistiques collecté à l’arrière de l’échantillon donne accès aux propriétés locales de magnétoconductance de l’échantillon. Nous avons dans un premier temps étudié les propriétés de magnétotransport de vannes de spin planaires. Les mesures BEMM démontrent un magnétocourant d’électrons chauds pouvant atteindre 500 % à température ambiante. Ces forts effets de magnétoconductance ne sont que très faiblement dépendants des épaisseurs des électrodes de fer et ne peuvent donc être dus à l’asymétrie en spin de la longueur d’atténuation des électrons chauds dans les couches de fer. Dans cette structure épitaxiée, la polarisation en spin du faisceau d’électrons chauds s’acquiert principalement aux interfaces via des effets de structure électronique. L’électron traversant les couches minces métalliques se propage comme un état de Bloch. Sa transmission aux différentes interfaces se fait en conservant d’une part la composante transverse k║ du vecteur d’onde électronique, et d’autre part, la symétrie de la fonction d’onde. Au-dessus de la barrière Schottky, les électrons chauds sont collectés dans la vallée Г du GaAs se projetant à l’interface dans la direction k║=0. Dans cette direction k║=0, la conservation de la symétrie de la fonction d’onde à l’interface Fe/Au conduit au filtrage des états de Bloch de symétrie Δ1 du fer. Ces états de symétrie Δ1, totalement polarisés en spin, sont responsables des forts magnétocourants d’électrons chauds observés. Cette analyse est confirmée expérimentalement par l’observation d’une corrélation entre amplitude du magnétocourant et masse effective du substrat semiconducteur. En augmentant la masse effective du semiconducteur, on ouvre le collimateur filtrant le courant d’électrons chauds autour de la direction k║=0, et le magnétocourant diminue sans modifier la vanne de spin. Dans un second temps, tirant partie de la résolution latérale du microscope et de sa sensibilité au magnétisme, des microstructures de fer préparées sous ultra-vide par évaporation à travers un masque (méthode du nanostencil) ont été étudiées. Dans ces structures, la modulation du courant collecté par la structure locale en domaines magnétiques a permis la réalisation d’images magnétiques avec une haute résolution spatiale. Les contrastes observés sur ces microstructures sont en excellent accord avec les images BEMM calculées à partir de simulations micromagnétiques ouvrant la voie à une microscopie magnétique quantitative à forte sensibilité et résolution latérale nanométrique.

  • Titre traduit

    Ballistic electron emission microscopy : from hot electron magnetotransport to magnetic imaging


  • Résumé

    During this thesis work, we studied by ballistic electron magnetic microscopy (BEMM) the hot electron magnetotransport properties of epitaxial Fe/Au/Fe/GaAs(001) heterostructures. In these experiments, hot electrons are injected from an STM tip through the metallic base. The measurement of the ballistic electron current collected at the back of the substrate under magnetic field gives access to the local magnetoconductance properties of the sample. The first part of this work consists in the study of a planar heterostructures. BEMM measurements on epitaxial Fe/Au/Fe/GaAs(001) samples demonstrate hot electron magnetocurrent as high as 500% at room temperature. This high magnetocurrent value is observed to be almost independent of the Fe layers thickness, and thus can not be explained by the spin asymmetry of the electron attenuation length in the iron layers. In this epitaxial heterostructure, the hot electron beam is mainly spin-polarized at the interfaces due to band structure effects. In the metallic thin films, electrons propagate as Bloch states. The electron wave function transmission at the interfaces should satisfy two selection rules: the transverse momentum (k║) of the electron wave vector and the symmetry of the electron wave function should be conserved. Above the Schottky barrier height, hot-electrons are collected in the Г valley of GaAs selecting thus only electrons with a transverse momentum (k║) close to zero. Among these k|| ≈ 0 states, conservation of the electron wave-function symmetry at the Fe/Au epitaxial interfaces additionally selects electrons with the Δ1 symmetry. These Δ1 states are fully spin-polarized and are responsible for the observed high magnetocurrent in these heterostructures. This analysis is experimentally confirmed by the observation of a correlation between the magnetocurrent value and the semiconductor effective mass. By increasing the semiconductor effective mass, we open the collimator which filters the electronic states around k║=0 and the magnetocurrent value decreases. To take advantage of the lateral resolution of the microscope and of its high sensitivity to magnetism, the second part of this work was devoted to the study of sub-micrometric iron structures prepared under UHV by evaporation through a nanostencil. In these structures, the modulation of the collected current by the local magnetic domain structure in the Fe dots allows magnetic imaging with a high spatial resolution. The experimental magnetocontrasts observed on these sub-micrometric Fe dots are in excellent agreement with BEMM current maps calculated from micromagnetic simulation results. This opens the way to a quantitative magnetic microscopy with high contrast and nanometric lateral resolution.


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