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Université Paris Sud - Paris XI (12/12/2005), Martine Gautier-Soyer (Dir.)
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Etude des propriétés physiques des films de Fe3O4 épitaxiés et de la polarisation en spin à l'interface Fe3O4/γ-Al2O3
Alexandre Bataille1

La magnétite Fe3O4 est un matériau prometteur pour l'électronique de spin, puisque des calculs de structure de bande la prédisent demi-métallique, ce qui laisse supposer des effets de magnétorésistance importants pour des jonctions tunnel magnétiques utilisant Fe3O4 comme électrode. Nous avons fait croître des films minces de Fe3O4 de 3 à 50 nm d'épaisseur sur α-Al2O3 par épitaxie par jets moléculaires. Les films sont monocristallins mais contiennent des parois d'antiphase. Celles-ci sont responsables des anomalies magnétiques observées sur les films, que nous avons pu reproduire à l'aide d'un modèle unidimensionnel, les résultats ayant étés confrontés avec la taille caractéristique des parois mesurée par une analyse
fractale.

Nous avons de plus mis au point la croissance de couches minces de γ-Al2O3 épitaxiée sur les films de Fe3O4, en contrôlant la stoechiométrie à l'interface entre oxydes. Les films de γ-Al2O3 d'épaisseur supérieure à 2 nm sont continus, et assurent le découplage magnétique entre les électrodes. Les mesures directes par photoémission résolue en spin conduisent à une polarisation en spin de -40 % pour l'interface Fe3O4/ γ-Al2O3 tandis que l'on mesure
une magnétorésistance tunnel, réduite du fait du désordre magnétique induit par les parois d'antiphase, de +3 % à température ambiante pour les jonctions Fe3O4/ γ-Al2O3/Co, ce qui implique une polarisation effective positive pour l'interface Fe3O4/ γ-Al2O3 dans les mesures de transport tunnel.
1:  SPCSI - Service de Physique et de Chimie des Surfaces et Interfaces
épitaxie – Fe3O4 – parois d'antiphase – transitionde Verwey – γ-Al2O3 – photoémission résolue en spin – jonctions tunnel magnétiques

On the physical properties of Fe3O4 epitaxial thin films and the spin polarization at the Fe3O4/γ-Al2O3 interface
Magnetite Fe3O4 is a promising material for spintronics since band structure calculations predict it to be half-metallic. One thus expect large magnetoresistance in magnetic tunnel junctions using Fe3O4 as electrode. We have grown 3 to 50 nm-thick Fe3O4 thin films onto sapphire by molecular beam epitaxy. The films are single crystalline but comprise a large number of antiphase boundaries. These defects are the origin of the magnetic anomalies of Fe3O4 thin films. which we qualitatively reproduiced
by using a one-dimensionnal model, the results being compared with the characteristic size of the antiphase boundaries measured by a fractal analysis. Moreover, the Verwey transition is not seen for thicknesses below 20 nm because of finite size effects; all samples show slow magnetization dynamics.

We have also developped a growth method allowing us to deposit γ-Al2O3 epitaxially onto Fe3O4 while controling the stoichiometry at the interface. Al2O3 thin films of thicknesses greater than 2 nm are continuous and allow magnetic decoupling between electrodes. Direct measurements by spin resolved photoemission yields to a -40 % the spin polarization at the Fe3O4/γ-Al2O3 interface whereas the tunnel magnetoresistance (reduiced by the magnetic disorder generated by the antiphase boundaries) is +3 % at 300 K for Fe3O4/γ-Al2O3/Co magnetic tunnel junctions.
epitaxy – Fe3O4 – antiphase boundaries – Verweytransition – γ-Al2O3 – spin-resolved photoemission – magnetic tunnel junctions

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