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Manipulation de l'aimantation dans des nanostructures magnétiques semiconductrices

PHC : Utique
Codes du projet : 16G1303 -- Campus N° 34914PL
Domaine : Physique
Intitulé : Manipulation de l'aimantation dans des nanostructures magnétiques semiconductrices
Porteur(s) : GOURDON Catherine, BOUJDARIA Kais
Date de début : 01/01/2016
Date de fin : 31/12/2018

Le développement des semiconducteurs magnétiques dilués III-V (InMnAs, GaMnAs) a fait naître l’espoir de les utiliser dans des dispositifs combinant fonction de stockage de l’information, traditionnellement réalisée sur des supports magnétiques, et fonction de traitement de l’information, dévolue aux dispositifs semiconducteurs. De rapides progrès ont été accomplis avec la découverte du ferromagnétisme dans les composés semiconducteurs III-V contenant du manganèse comme (In,Mn)As et (Ga,Mn)As (Ohno et al. 1996). Dans (Ga,Mn)As les ions manganèse sont incorporés en substitution au gallium, dans une proportion de quelques pour cents. Ces ions constituent à la fois un dopant magnétique et un dopant électrique, conduisant à une forte densité de porteurs. L’originalité de ce matériau est la combinaison du caractère semiconducteur, proche de celui de GaAs, et d’un comportement magnétique lié à l’élément de transition. En particulier, il montre une phase ferromagnétique homogène, avec une température de Curie (TC) atteignant le record récent de 200 K, une valeur remarquablement élevée parmi les semiconducteurs ferromagnétiques. GaMnAs fait l'objet de nombreuses recherches au niveau international. Elles ont permis notamment une augmentation de la température de Curie et une compréhension approfondie des paramètres et des mécanismes qui contrôlent le ferromagnétisme. Il est largement admis que l’origine du ferromagnétisme provient d’un couplage d’échange (dépendant du spin) entre les porteurs des bandes et les spins localisés sur les ions magnétiques (T. Dietl, Phys. Rev. B 2001). GaMnAs est un matériau très attractif par rapport aux métaux ferromagnétiques par son caractère semiconducteur dont découlent ses propriétés magnétiques ajustables. Ceci offre la possibilité de contrôler les propriétés liées au spin, non seulement par un champ magnétique, mais aussi par une tension électrique, une déformation ou la lumière. Récemment, de nouveaux alliages semiconducteurs ferromagnétiques (Ga,Mn)(As,P) ont été synthétisés (A. Lemaître et al. Appl.
Phys. Lett. 2008). L’introduction d’un anion comme le phosphore, plus petit que l’arsenic, permet de placer la couche en extension, favorisant ainsi un axe facile d’aimantation perpendiculaire sans recourir à l’utilisation d’une couche tampon de (Ga,In)As dont les défauts ont un rôle néfaste sur la propagation des parois de domaine magnétique. La croissance d’échantillons de concentration variable en phosphore nous a permis d’obtenir l’auto-organisation en domaines à aimantation globale nulle, un moyen de déterminer la constante d’échange (S. Haghgoo et al., Phys. Rev. B 82, 041301(R) (2010)), et d’étudier la propagation de parois magnétiques dans un système à anisotropie magnétique variable (L. Thevenard et al., Phys. Rev. B 85, 064419 (2012)), bien caractérisé expérimentalement en résonance ferromagnétique et modélisé grâce au travail de l’équipe tunisienne du Laboratoire de Physique des Matériaux à Bizerte (M. Yahyaoui, C. Testelin, C. Gourdon, and K. Boujdaria, J. Appl. Phys. 111, 033902 (2012); et M. Yahyaoui, K. Boujdaria, M. Cubukcu, C. Testelin and C. Gourdon, J. Phys.: Condens. Matter 25 (2013) 346001))

Objectifs

Le projet vise à réaliser et contrôler la manipulation de l’aimantation dans (GaMnAsP) par différentes voies, en particulier acoustique et optique dans des couches nanométriques et des nanostructures.
La recherche de processus efficaces de retournement de l’aimantation sans champ magnétique présente de grands enjeux dans le domaine du stockage de l’information. En effet les champs magnétiques peuvent difficilement être produits à la même échelle décroissante que les dispositifs. Par ailleurs leur génération par des courants engendre un échauffement néfaste. Dans ce cadre les ondes acoustiques offrent une perspective intéressante pour les matériaux présentant un fort couplage magnéto-élastique. Le renversement d’aimantation sous l’action d’une onde acoustique de surface a récemment été mis en évidence dans FeGa (Li at al. IEEE Trans. Mag 2012) et dans des plots de Cobalt (S. Davis et al. J. Appl. Phys. 2015). Les effets magnéto-strictifs sont censés être les plus efficaces lorsque la fréquence de l’onde acoustique (100 MHz à qqes GHz) correspond à la fréquence de précession de l’aimantation du matériau ferromagnétique, ce qui n’était pas le cas pour FeGa et Co.

Résultats

Recherche

2016

Tunisie : Etude théorique et simulation numérique de l’effet Kerr et de l’effet Voigt en fonction de la concentration de phosphore et de manganèse sur la gamme de longueur d’onde visible.

France :
Manipulation tout-optique de l’aimantation : expérience pompe-sonde : Etude par effet magnéto-optique des cycles d’hysteresis de plots magnétiques en présence d’un faisceau « pompe »
Résultats espérés : séparation des effets thermiques, les effets de densités de porteurs et les effets des spins des porteurs. Manipulation de l’aimantation par ondes acoustiques de surface préparation des dispositifs de génération électrique d’ondes acoustiques sur des échantillons de GaMnAs et GaMnAsP, en salle blanche. Etude de l’atténuation et de la variation de vitesse de l’onde acoustique en fonction du champ magnétique, tests pour estimer l’amplitude de l’onde acoustique par diffraction de rayons X.
Lors de son séjour en France le doctorant tunisien travaillera sur l’expérience laser pompe-sonde, suivra une formation en salle blanche et participera à la réalisation des dispositifs de génération d’onde acoustique.

2017

Tunisie : poursuite des études théoriques et de la simulation numérique de l’effet Kerr et de l’effet Voigt en fonction de la concentration de phosphore et de manganèse sur la gamme de longueur d’onde visible. Prise en compte des effets de déphasage dans une couche magnétique peu absorbante.
Calcul des effets magnéto-élastiques couplés dans un système couche mince sur substrat en présence d’une onde acoustique de surface par une méthode de matrices de transfert. Prise en compte d’une anisotropie magnétique complexe dans la couche magnétique. Application au calcul de l’atténuation et du déphasage d’une onde acoustique de surface.

France :

Manipulation de l’aimantation par ondes acoustiques de surface
Développement d’un système cryogénique permettant simultanément des expériences d’imagerie par effet Kerr sous champ magnétique et l’excitation d’ondes acoustiques de surface. Imagerie magnéto-optique en fonction de l’amplitude de l’onde acoustique et du champ magnétique dans le but d’évaluer les effets de retournement par nucléation de domaines ou renversement précessionnel. Etude en fonction de l’orientation du champ par rapport à la direction de propagation de l’onde.
Préparation et tests de dispositifs de génération tout-optique d’ondes acoustiques de surface. Implication plus particulière de l’étudiant tunisien dans cette partie du projet.

2018

Tunisie :

Calcul des effets magnéto-élastiques couplés dans un système nanostructuré (plots magnétiques de différentes formes sur substrat) ou dans une couche mince comportant des domaines magnétiques en présence d’une onde acoustique de surface
Rédaction de la thèse

France : Etude de l’interaction des ondes acoustiques de surface avec les nanostructures magnétiques. Etude de l’interaction d’une onde acoustique de surface générée optiquement avec une couche mince magnétique nanostructurée ou non.

Formation

Le volet Formation se décompose en deux parties : formation reçue et formation dispensée.
La formation dispensée se fera sous forme de séminaires que donneront les chercheurs seniors en visite dans le pays hôte.

La formation reçue par l’étudiant en co-tutelle de thèse comprendra
- un encadrement (2016,2017,2018) assuré par les chercheurs permanents français sur les expériences dont l’équipe tunisienne ne dispose pas (expériences laser pompe-sonde, optique sous fort champ magnétique, imagerie par microscopie Kerr, circuits haute fréquence pour la génération d’ondes acoustiques…).
- une formation aux méthodes théoriques et à la simulation numérique, dispensée principalement par l’équipe tunisienne mais également par l’équipe française (simulations micromagnétiques sur le logiciel en libre accès OOMMF).
- une formation à la sécurité dispensée par les deux ingénieurs de l’équipe d’accueil française (utilisation des lasers et utilisation des fluides cryogéniques) dès le premier séjour de l’étudiant en 2016
- une formation aux techniques de lithographie optique dans la salle blanche de l’INSP (2016)
- une formation à la méthodologie de la recherche expérimentale (cahier d’expérience, méthodes d’analyse des données, rédaction et présentation de synthèses des résultats) (2016,2017)
- une formation à la méthodologie de la recherche théorique assurée par l’équipe tunisienne (2016,2017)
- une formation à la méthodologie de la recherche bibliographique (assurée par les équipes française et tunisienne) (utilisation de logiciels de gestion bibliographique, utilisation des bases de données bibliographiques) (2016)
-un entrainement à la présentation orale et par affiche des résultats obtenus (exposé du doctorant devant l’équipe française, exposé dans le cadre du séminaire des doctorants organisé au sein de l’INSP, participation à la Journée des doctorants de l’INSP et à celle de l’école doctorale) (2016, 2017, 2018)
- une participation de l’étudiant à une école d’été (ESM2017 - The European School on Magnetism, Cargèse, France 09-20 Oct2017)et à des conférences françaises ou internationales.

Informations supplémentaires

Institut des Nanosciences de Paris

Partenaire français
Paris
http://www.insp.upmc.fr/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Physique et chimie des matériaux


Responsable(s)
Catherine GOURDON - INSP - Paris - Tél :0144374629 - Email :catherine.gourdon@insp.jussieu.fr

Université de Carthage

Partenaire tunisien
Carthage
http://www.ucar.rnu.tn/Fr/

Laboratoire(s) ou unité(s) de recherche
Laboratoire de physique des matériaux : structure et propriétés (LR01ES15)


Responsable(s)
Kais BOUJDARIA - LR01ES15 - Bizerte - Tél :0021672591906 - Email :kais.boujdaria@fsb.rnu.tn