Pompage de spin pur dans des hétérostructures de van der Waals 2D

Pure spin pumping in 2D van der Waals heterostructures

• Auteur / Autrice : Karen Sobnath
• Direction : François Mallet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Odile Stéphan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vila
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alexandra Mougin, Juan Francisco Sierra García

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance ferromagnétique

Anisotropie

Spin

Spintronique

Matériaux 2D

Mots clés libres

Matériaux 2D

Spintronique

Pompage de spin

Résonance férromagnétique

Amortissement

Anisotropie

Conversion spin-Charge

2D materials

Spintronics

Spin pumping

Ferromagnetic resonance

Damping

Anisotropy

Spin-Charge conversion

Résumé

La spintronique dans les hétérostructures de van der Waals [1] est un domaine de recherche en plein essor offrant des perspectives technologiques vers une électronique post-CMOS ultra-compacte et basse consommation. Les matériaux bidimensionnels (2D) présentent des propriétés essentielles à la spintronique comme une excellente longueur de diffusion de spin [2], un fort couplage spin orbite ou encore le blocage spin-moment [3] qui les placent au coeur des avancées récentes. Plus encore, empilés entre eux, ces hétérostructures peuvent exhiber par effet de proximité des propriétés uniques et même de nouvelles phases de la matière [4]. Les courants de spin jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des dispositifs de spintronique comme les valves de spin basé sur la GMR ou les STT-MRAM, justifiant une activité de recherche intense. Il en résulte 3 concepts clés à maîtriser pour espérer contrôler et exploiter les courants de spin : l'injection, la propagation et la détection. Malgré leur potentiel, l'utilisation des matériaux 2D pour réaliser de tels dispositifs restent limitées par les difficultés de fabrication. Durant ma thèse, j'ai conçu un dispositif unique permettant l'injection d'un courant de spin pur via la méthode de pompage de spin à la résonance ferromagnétique (FMR) et la détection de ce courant par un mécanisme de conversion spin-charge [5]. J'ai travaillé à partir d'un système typique de la spintronique : l'interface FM/NM où le matériau ferromagnétique (FM) est le Cobalt (Co) et le matériau non magnétique (NM) est un matériau de van der Waals bi-dimensionnel i.e. le hBN, le graphène ou le WSe2. J'ai imaginé, simulé puis fabriqué un dispositif intégralement sur puce, adapté aux matériaux 2D qui sont obtenus par exfoliation mécanique et en conséquence limitent la dimension des films de Co au plus à quelques centaines de micromètres carrés. J'ai monté un dispositif expérimental pour réaliser des mesures de FMR large bande (4 à 14 GHz) par une détection synchrone, avec une modulation du champ magnétique, permettant de détecter de faibles volumes magnétiques à température ambiante. J'ai investigué les phénomènes de relaxation de l'aimantation du Co à l'interface avec 3 différents matériaux 2D, quantifiés par le terme d'amortissement de Gilbert extrait de l'ajustement des spectres de FMR. Comme il a été déjà mis en lumière dans la littérature [6] et également par mes résultats expérimentaux, l'augmentation de l'amortissement de l'aimantation ne suffit pas à détecter et quantifier le pompage de spin car il englobe toutes les sources de relaxation magnétiques de mon système. Par ailleurs, en réalisant une étude de la FMR en fonction de l'épaisseur de Co, j'ai pu démontrer la forte contribution de l'effet à deux magnons (TMS) [7] dans l'amortissement de l'aimantation du Co à l'interface avec le hBN ainsi que le graphène. Au contraire, j'ai observé une diminution considérable du terme TMS lorsque le Co est à l'interface avec le WSe2 réduisant la valeur de sa constante d'amortissement de Gilbert à 0.007. Je montre que cela est lié à la réduction de l'anisotropie perpendiculaire de surface du Co. Enfin, j'ai réalisé une détection directe du courant de spin injecté par pompage de spin dans le graphène ou le WSe2 par un mécanisme de conversion spin-charge, mesuré par l'intermédiaire d'un matériau à fort couplage spin orbite tel que le Palladium (Pd) pour l'échantillon de graphène ou directement dans le WSe2. [1] A. K. Geim et I. V. Grigorieva, Nature, vol. 499, p. 419-425 (2013) [2] B. Dlubak et al., Nature Physics, vol. 8, p. 557-561 (2012) [3] S. Manzeli et al., Nature Reviews Materials, vol. 2 (2017) [4] H. Yang et al., Nature Materials (2024) [5] D. Indolese et al., Physical Review Applied, vol. 10, p.044053 (2018) [6] L. Zhu et al., Physical Review Letters, vol. 123, p. 057203 (2019) [7] S. Yoshii et al., Physical Review B, vol. 106, p. 174414 (2022)

Spintronics in van der Waals heterostructures [1] is a fast-growing field of research offering technological prospects for ultra-compact, low-power post-CMOS electronics. Two-dimensional (2D) materials display properties essential to spintronics, such as excellent spin diffusion length [2], strong spin-orbit coupling and spin-moment blocking [3], which place them at the heart of recent advances. Furthermore, stacked together, these heterostructures can exhibit unique properties and even new phases of matter [4]. Spin currents play an essential role in spintronics devices such as GMR-based spin valves or STT-MRAMs, justifying intense research activity. As a result, 3 key concepts need to be mastered if spin currents are to be controlled and exploited: injection, propagation and detection. Despite their potential, the use of 2D materials for such devices remains limited by fabrication challenges. During my thesis, I designed a unique device enabling the injection of a pure spin current via the ferromagnetic resonance (FMR) spin pumping method and the detection of this current by a spin-charge conversion mechanism [5]. I worked on a typical spintronics system: the FM/NM interface, where the ferromagnetic material (FM) is Cobalt (Co) and the non-magnetic material (NM) is a two-dimensional van der Waals material, i.e. hBN, graphene or WSe2. I designed, simulated and then fabricated an entirely on-chip device, adapted to 2D materials which are obtained by mechanical exfoliation and consequently limit the size of Co films to at most a few hundred square micrometers. I mounted an experimental setup to perform broadband FMR measurements (4 to 14 GHz) using a lock-in detection with a magnetic field modulation, enabling the detection of small magnetic volumes at room temperature. I investigated Co magnetization relaxation phenomena at the interface with 3 different 2D materials, quantified by the Gilbert damping parameter, extracted from the fit of FMR spectra. As already highlighted in the literature [6] and also by my experimental results, the increase in magnetization damping is not sufficient to detect and quantify spin pumping, as it captures all sources of magnetic relaxation of a system. Furthermore, by carrying out an FMR study as a function of Co thickness, I was able to demonstrate the strong contribution of the two-magnon scattering effect (TMS) [7] to the magnetization damping of Co at the interface with hBN as well as graphene. On the contrary, I observed a considerable decrease in the TMS term when Co is at the interface with WSe2 reducing the value of its Gilbert damping constant to 0.007. I show that this is linked to the reduction in Co perpendicular surface anisotropy. Finally, I have carried out a direct detection of the spin current injected by spin pumping into graphene or WSe2 by a spin-charge conversion mechanism, measured via a material with strong spin-orbit coupling such as Palladium (Pd) for the graphene sample or directly in WSe2. [1] A. K. Geim et I. V. Grigorieva, Nature, vol. 499, p. 419-425 (2013) [2] B. Dlubak et al., Nature Physics, vol. 8, p. 557-561 (2012) [3] S. Manzeli et al., Nature Reviews Materials, vol. 2 (2017) [4] H. Yang et al., Nature Materials (2024) [5] D. Indolese et al., Physical Review Applied, vol. 10, p.044053 (2018) [6] L. Zhu et al., Physical Review Letters, vol. 123, p. 057203 (2019) [7] S. Yoshii et al., Physical Review B, vol. 106, p. 174414 (2022)