CNRS/LPN : Semiconducteurs semimagnétiques pour l'électronique de spin
Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
Centre National de la Recherche Scientifique - UPR20
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élaboration et Physique des Structures épitaxiées > Semiconducteurs semimagnétiques pour l'électronique de spin
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L’électronique de spin

En électronique « classique », l’information est véhiculée par la charge des électrons. Or ces porteurs possèdent, au même titre que leur charge et leur masse, une autre propriété intrinsèque, le spin. Le spin est l’équivalent d’un moment cinétique interne. L’électronique de spin (ou spintronics) repose sur ce degré de liberté supplémentaire. Ce domaine connaît un intérêt et des développements particulièrement im portants puisqu’il ouvre, à la fois, des perspectives d’applications (capteurs, mémoires magnétiques) et des études physiques nouvelles (propriétés magnétiques, transport de spin…).

Semiconducteurs semimagnétiques

Pour manipuler le spin des porteurs nous utilisons des semiconducteurs semimagnétiques qui sont des semiconducteurs (GaAs, CdTe…) dont une partie des cations a été remplacée par un élément de transition, comme le manganèse. Par exemple Ga1-xMnxAs, Cd1-xMnxTe. L’originalité de ces composés est le fort couplage entre le spin des électrons délocalisés du semiconducteur et les moments magnétiques de l’élément de transition. Cette interaction confère à ces matériaux des propriétés magnétiques importantes (levée de dégénérescence des niveaux de spin des bandes de valence et de conduction, polarisation de spin des porteurs, phases ferromagnétique et paramagnétique, effets magnéto-optiques géants…)

Au LPN, nous étudions le composé (Ga,Mn)As qui montre une phase ferromagnétique avec une température de Curie relativement élevée (170 K) pour ce type de matériaux. L'origine du ferromagnétisme semble bien établie dans (Ga,Mn)As ; il provient du couplage entre les ions magnétiques du Mn et les porteurs délocalisés du semiconducteur (les trous). Ces dernières années nous avons étudié plusieurs aspects de ce riche sujet :

GaMnAs Les propriétés ferromagnétique de GaMnAs - Température de Curie, anisotropie magnétique,domaines magnétiques (en anglais)
GaMnAs TEM La détermination des défauts ponctuels par microscopie électronique en transmission (en anglais)

Le contrôle de l'anisotropie magnétique dans GaMnAsP (en anglais)
Parois de Domaine Le déplacement de parois de domaine dans des pistes de GaMnAs(P)(en anglais)

Alors que ces études s'intéressent au comportements collectif d'une assemblée de moments magnétiques, nous avons lancé, au printemps 2007, avec O.Krebs (Groupe GOSS) l'étude de moments magnétiques uniques de manganèse. Pour cela nous mesurons les propriétés radiatives de boîtes quantiques uniques d'InAs dans lesquelles un seul atome de Mn est présent.
QDMn Mesure optique de la structure fine d'un ion Mn unique dans une boîte quantique unique InAs/GaAs

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Puce Membres

Contacts

 Lemaître Aristide  (+33) 1 69 63 60 72  

Et aussi...

 Mauguin Olivia  (+33) 1 69 63 61 07  
 Travers Laurent  (+33) 1 69 63 60 65  
 Largeau Ludovic  (+33) 1 69 63 61 74  
 Galopin Elisabeth  (+33) 1 69 63 60 66  
 Patriarche Gilles  (+33) 1 69 63 61 73  
 Glas Frank  (+33) 1 69 63 60 79  
 Faini Giancarlo  (+33) 1 69 63 61 26  
 Niazi Tarik  (+33) 1 69 63 60 85  
 Cormier Mathieu  (+33) 1 69 63 60 83  

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Puce Publications

Publications dans des journaux
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      ILNACS : Nanostructures of Compound Semiconductors (Growth, properties, devices)

      Référence de contrat : Laboratoire International Associé (LIA) CNRS - Université de Montpellier - INSA Toulouse / Académie des Sciences de Russie - Fondation Russe pour la Recherche Fondamentale
      Responsable(s) LPN : Frank Glas
      Principaux objectifs : Coordonner et développer les collaborations scientifiques entre les laboratoires du CNRS et les laboratoires et instituts de l'académie des sciences russe basés à Saint-Petersbourg dans le domaine de la croissance et de l'étude des propriétés physiques des nanostructures de semiconducteurs composés, et des composants basés sur ces structures. (2010-2013)

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    Puce ANR non thématiques

      MANGAS : Manipulation de l’aimantation dans le composé ferromagnétique GaMnAs

      Référence de contrat : ANR Blanc
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître
      Principaux objectifs : L’état d’aimantation d’un objet ou d’une particule ferromagnétique est un bit d’information simple et robuste. Il a été utilisé pendant des décennies pour stocker de l’information dans les disques durs. Dans ces composants l’état d’aimantation est contrôlé par l’application d’impulsions de champ magnétiques courtes et localisées. Aller au delà de cette technique, avec des méthodes alternatives, pourrait accroître considérablement les possibilités de stockage et de logique dans des cellules ou circuits magnétiques. Notre projet est au cœur de cette thématique. Nous proposons ici d’étudier plusieurs concepts pour manipuler l’aimantation en utilisant des stimuli non-magnétiques dans un matériau ferromagnétique particulier : le semiconducteur ferromagnétique GaMnAs. Dans ce composé l’origine du ferromagnétisme est singulière, il est lié à la nature composite de ce matériau, à la fois magnétique et semiconducteur. La phase ferromagnétique est induite par le couplage d’échange entre le spin de porteurs et les moments magnétiques du manganèse. Cette propriété donne lieu à un fort couplage entre les propriétés magnétiques et semiconductrices, une opportunité unique pour explorer de nouvelles pistes pour la manipulation de l’aimantation. Dans ce projet, les techniques que nous étudierons sont les manipulations utilisant i) un courant de spin pour le renversement de l’aimantation et le déplacement de parois de domaine, ii) la contrainte, iii) des impulsions lumineuses et iv) des champs électriques. Plusieurs d’entre eux ont déjà été démontrés dans les systèmes métalliques, nous envisageons dans ce cas de mettre en évidence les modifications liées à la nature de ce composé semiconducteur. Cette comparaison apportera un éclairage complémentaire sur les mécanismes réalisant la manipulation de l’aimantation. D’autres, comme la manipulation par un champ électrique, sont spécifiques à ce composé. Nous déterminerons alors la versatilité de ces techniques pour obtenir de larges changements de direction et d’amplitude de l’aimantation. (2010-2013)

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    Puce ANR PNANO

      MOMES : Manipulation Optique, Magnétisme et Electronique de Spin

      Référence de contrat : ANR PNANO
      Coordinateur, Partenaire(s) : J.-M. George (IPCMS), J.-M. George (UMR CNRS-Thalès)
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître
      Principaux objectifs : Mise en œuvre de moyens d’injection et de détection de porteurs polarisés en spin, la compréhension des mécanismes de relaxation de spin dans des objets aux dimensions réduites et le développement de techniques de manipulation du spin. (2005-2008)

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    Puce Projets des Réseaux Nationaux

      SeMicMag II : Micromagnétisme dans le semiconducteur GaMnAs (suite)

      Référence de contrat : contrat RTRA Triangle de la Physique
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître
      Principaux objectifs : Il s’agit d’étudier les propriétés micromagnétiques du semiconducteur GaMnAs. Le ferromagnétisme singulier de ce composé, induit par les porteurs, apporte un point de vue complémentaire aux résultats obtenus dans les métaux sur les petits objets. Deux aspects seront abordés, la propagation de parois de domaine dans des pistes sub-micrométriques sous champ magnétique ou courant de spin, et le magnétisme de plots nanométriques (limite superparamagnétique, renversement cohérent). (2010-2011)

      SeMicMag : Micromagnétisme dans le semiconducteur GaMnAs

      Référence de contrat : contrat RTRA Triangle de la Physique
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître
      Principaux objectifs : Il s’agit d’étudier les propriétés micromagnétiques du semiconducteur GaMnAs. Le ferromagnétisme singulier de ce composé, induit par les porteurs, apporte un point de vue complémentaire aux résultats obtenus dans les métaux sur les petits objets. Deux aspects seront abordés, la propagation de parois de domaine dans des pistes sub-micrométriques sous champ magnétique ou courant de spin, et le magnétisme de plots nanométriques (limite superparamagnétique, renversement cohérent). (2009-2010)

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    Puce Projets Incitatifs du Ministère de la Recherche

      BOITQUAN : Boîtes quantiques et semiconducteurs ferromagnétiques (GaMn)As pour l'électronique de spin

      Référence de contrat : ACI
      Responsable(s) LPN : Aristide Lemaître, Olivier Krebs
      Principaux objectifs : Injection de spin dans une boîte quantique unique (2004-2007)

      DECORESS : Nouveaux développements pour une électronique de spin sur semiconducteurs

      Référence de contrat : ACN
      Responsable(s) LPN : Giancarlo Faini
      Principaux objectifs : Association des spécialistes du magnétisme et de semiconducteurs pour élaborer des nouvelles nanostructures ferromagnétiques/semiconducteurs pour l'électronique de spin (2002-2005)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat


  • Magnetization manipulation in GaMnAs

    • M. Cormier-(En cours depuis 2011-10-01)
    Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
                Physique et élaboration des hétérostructures (PHEH)
    Contact : A. Lemaître
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    The project aims to develop new schemes to manipulate magnetization in GaMnAs ferromagnetic compounds. In particular, the post-doc will be involved in our activity on magnetization direction control in GaMnAs by applying electric fields in ultrathin layers, as recently demonstrated by several teams [1,2]. This project will take advantage of our newly developed alloy based on phosphorous, GaMn(As,P) [3]. In this compound, the dominant uniaxial magnetic anisotropy can be tuned at will, giving access to extended possibilities to control the magnetization direction.


    [1] Magnetization vector manipulation by electric fields, D. Chiba, M. Sawicki, Y. Nishitani, Y. Nakatani, F. Matsukura, and H. Ohno, Nature 455 515 (2008).
    [2] Low-voltage control of ferromagnetism in a semiconductor p-n junction, M H S Owen, J Wunderlich, V Novak, K Olejnik, J Zemen, K Vyborny, S Ogawa, A C Irvine, A J Ferguson, H Sirringhaus, and T Jungwirth, New J. Phys.11, 023008 (2009).
    [3] Strain control of the magnetic anisotropy in (Ga,Mn) (As,P) ferromagnetic semiconductor layers, A. Lemaître, A. Miard, L. Travers, O. Mauguin, L. Largeau, C. Gourdon, V. Jeudy, M. Tran, and J.-M. George, Appl. Phys. Lett. 93, 021123 (2008).


  • Micromagnétisme dans le semiconducteur GaMnAs

    • J. Curiale-(2009-06-15 / 2010-06-15)
    Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
                Physique et élaboration des hétérostructures (PHEH)
    Contact : A. Lemaître
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Il s’agit d’étudier les propriétés micromagnétiques du semiconducteur GaMnAs. Le ferromagnétisme singulier de ce composé, induit par les porteurs, apporte un point de vue complémentaire aux résultats obtenus dans les métaux sur les petits objets. Deux aspects seront abordés, la propagation de parois de domaine dans des pistes sub-micrométriques sous champ magnétique ou courant de spin, et le magnétisme de plots nanométriques (limite superparamagnétique, renversement cohérent).
    Stage financé par le contrat SeMicMag avec le RTRA Triangle de la Physique.

Thèse


  • Manipulation de l’aimantation dans le composé GaMnAs à anisotropie magnétique contrôlée

    • T. Niazi-(En cours depuis 2009-10-01)
    Thème : Nanostructures, gaz d'électron et électronique de spin (NGES)
                Physique et élaboration des hétérostructures (PHEH)
    Contact : A. Lemaître
    Groupe : Elaboration et Physique des Structures Epitaxiées (ELPHYSE)
    En savoir plus
    Sujet de thèse FINANCE par allocation doctorale sur thématique prioritaire.
    Date limite de candidature : 19 Juin 2009. [http://www.ed397.upmc.fr]

    L’originalité du composé GaMnAs est son caractère à la fois semiconducteur et magnétique lié à l’incorporation de l’élément de transition, Mn. En particulier, il montre une phase ferromagnétique, avec une température de Curie atteignant 180 K. Cette valeur est remarquable parmi celles des composés de la famille de ces semiconducteurs ferromagnétiques. De plus la source du ferromagnétisme est bien comprise dans GaMnAs, elle provient de l’interaction d’échange entre les moments magnétiques de l’ion Mn et le spin des porteurs délocalisés de la bande de valence, les trous. Cette singularité en fait un matériau d’exception parmi les composés ferromagnétiques. Depuis sa découverte, dans les années 90, les propriétés de cet alliage ont été mises à profit pour réaliser un contrôle des propriétés magnétiques par des paramètres extérieurs comme un champ électrique, un courant ou une contrainte. Ces nouvelles possibilités de manipuler l’état magnétique du système font de ce matériau un composé particulièrement attractif pour réaliser de nouveaux concepts pour l’électronique de spin.
    L’objectif de cette thèse de développer et de tirer partie un nouveau matériau GaMnAsP pour lequel l’anisotropie magnétique est contrôlée par la concentration en phosphore, via la contrainte épitaxiale. Cet alliage a été récemment mis au point au LPN. Il ouvre la voie à la mise au point de nouveaux dispositifs où l’anisotropie magnétique jouera un rôle prépondérant.

    Elaboration et caractérisations structurales et magnétiques de couches de GaMnAsP
    Il s’agira dans cette partie de mettre au point des couches à anisotropie magnétique parfaitement contrôlée, en incorporant une faible fraction de phosphore (10% suffisent). Nos premiers résultats sont très encourageants (APL, 93, 021123). Les conditions de croissance seront finement examinées pour obtenir des couches de très bonne qualité. Les caractérisations électriques et magnétiques, notamment d’anisotropie, seront réalisées par des mesures de magnéto-transport, de SQUID (collab. UMR, INSP) ou par résonance ferromagnétique (collab. INSP). Les études structurales permettront d’identifier les différents défauts (interstitiels, antisites) comme cela a été fait précédemment au LPN (PRL, 93, 086107). Ce volet sera un des points importants de cette thèse, puisque le matériau ainsi développé sera à la base des dispositifs que nous proposons dans la suite.

    Déplacement de parois assisté par courant de spin
    Le composé GaMnAs s’est montré comme un matériau très performant pour observer des effets de déplacement de parois de domaine assisté par courant de spin. Ce mode de déplacement pourrait être à la base de nouvelles mémoires magnétiques. Or le GaMnAs présente des courants de seuil très bas liés notamment à sa faible aimantation. Les seules expériences rapportées jusqu’à présent l’ont été dans des couches à anisotropie perpendiculaire (soumis à PRL). Le grand bénéfice de l’incorporation du phosphore pour obtenir cette anisotropie est de s’affranchir de la croissance sur un substrat métamorphique de GaInAs, technique utilisée jusqu’à présent. En effet elle s’accompagne de la formation de nombreux défauts qui ont un rôle fort néfaste sur la propagation des parois de domaine (PRB 73, 195331, 76, 241301, 78, 161303). Les couches de GaMnAsP sur GaAs présentent au contraire une faible densité de défauts comme l’a montré la microscopie Kerr. Le déplacement de parois dans les pistes sub-micrométriques impliquera, au cours de la thèse, d’une part leur nanofabrication au LPN, et les études sous champ ou courant pulsé au LPS et à l’IEF. Parmi les paramètres influençant la propagation, le rôle de la rugosité des bords de piste est une question particulièrement sensible. Pour y répondre une technique de passivation par hydrogénation qui offre des interfaces douces sera employée (APL, 91, 142511).

    Contrôle ultra-rapide de l’aimantation
    La disponibilité d’un matériaux à anisotropie contrôlée permet d’envisager de nouveaux dispositifs, avec ce degré de liberté supplémentaire. Nous en considérons deux, pour l’instant, autour de contrôle de l’aimantation à l’échelle du GHz et au delà.
    1)Oscillateurs à transfert de spin avec un aligneur perpendiculaire
    Les oscillateurs à transfert de spin sont étudiés avec beaucoup d’attention dans les systèmes métalliques. Ils apparaissent comme des sources potentielles d’hyperfréquences. Dans GaMnAs, la démonstration n’a pas été encore faite, mais plusieurs équipes s’y attellent. Récemment l’équipe de B. Dieny a proposé d’utiliser un aligneur perpendiculaire pour induire le basculement d’une couche à anisotropie planaire. Cette géométrie permet d’obtenir notamment des fréquences d’oscillation élevées. Nous appliquerons ce concept à des multicouches GaMnAs/GaMnAs/GaMnAsP dans des configurations très simples, similaires à celles déjà que nous avons déjà étudiées avec l’UMR (PRB 73, 035303), en incorporant le phosphore dans l’injecteur pour lui donner une anisotropie perpendiculaire.
    2)Précession induite par une onde acoustique
    Le concept a été proposé depuis fort longtemps par Kittel en 58 (PR). Il s’agit d’utiliser une onde acoustique pour induire la précession de l’aimantation d’une couche magnétique déposée sur un matériau piézo-électrique. Ce mécanisme repose sur les propriétés de magnéto-striction. La démonstration expérimentale a été donnée en 61 par Pomerantz (PRL) dans une couche de nickel déposé sur du quartz. Nous proposons de réaliser une expérience similaire dans GaMnAs. De forts effets peuvent être attendus. En effet, comme il a été expliqué plus haut l’anisotropie magnétique dans GaMnAs est très sensible à la contrainte, la couche pouvant même changer d’axe facile si la déformation est suffisante. Nous estimons que de telles déformations pourraient être induites dans GaMnAsP par une onde acoustique. Les déformations sont en effet du même ordre de grandeur que celles engendrées par la contrainte épitaxiale dans GaMnAsP.
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Mis à jour le
27/01/2012

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