CONTRIBUTIONS A L'ETUDE DE COUCHES METALLIQUES ULTRA-MINCES : PROPRIETES STRUCTURALES, ELECTRIQUES, MAGNETIQUES - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 1994

Contribution to the study of ultra-thin metallic layers: Structural, electrical and magnetic properties.

CONTRIBUTIONS A L'ETUDE DE COUCHES METALLIQUES ULTRA-MINCES : PROPRIETES STRUCTURALES, ELECTRIQUES, MAGNETIQUES

Résumé

1. STUDY OF INDIUM/GOLD BILAYERS BY MEANS OF ELECTRICAL MEASUREMENTS :

1.a ELECTRICAL RESISTIVITY;

1.b WORK FUNCTION

1.c ABSORPTION OF LOW ENERGY ELECTRONS.

Roughness oscillations and pseudomorphism

Quantum size effects : Vernier effect between :

The oscillating phenomenon n°1 as deduced from theoretical models where the thickness of the thin film is changing continuously : period lF/2 ;
The oscillating phenomenon n°2 due to the atomic layer by atomic layer growth mode of indium.
Verification by experiment of absorption of low energy electrons.

1.d QUANTUM RHEED OSCILLATIONS.


2. Studies of stacking of metallic magnetic or no magnetic thin films : Structural and magnetic properties.

2.a Experimental methods of determination of structural properties

In-situ :

Reflectometry of soft X rays

RHEED

Ex-situ :

Diffraction of X rays :

grazing angles

large angles

Transmission electron microscopy (TEM):

EXAFS

2.b The studied systems :

Au/Co

Structural properties

Magnetic properties

Perpendicular anisotropy.

Coercitive field.


Faraday Effect

Giant magnetoresistance.

Cu/Co

Au/Fe



3. Actual researches and first results

* Experiment of spin-dependent transmission of low energy
electrons of through ultra-thin magnetic layers.

In collaboration with the Laboratoire de la Physique de la Matiere Condensee, Ecole Polytechnique, Palaiseau. H.-J. Drouhin, Y. Lassailly, G. Lampel, A.-J. van der Sluijs.

3.a The aims :

To directly measure the dependence of the transmission coefficient of the electrons versus their spin and their incident energy.

To study the variation of the mean free path of low energy electrons (few eV)

Realization of a electronic spin detector ?

3.b The experimental :

Experiment of transmission : very thin samples;

Low energy electrons : no magnetic field ;

Samples with perpendicular anisotropy.

3.b The results :

First direct observation of the spin dependence of the transmission of low energy electrons through thin magnetic films
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés à l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée d'Orsay dans le groupe "couches minces" dirigé par J.P. Chauvineau dont le thème fédérateur des activités est la réalisation et la caractérisation de couches ultra minces de quelques fractions à quelques nanomètres d'épaisseur. Ces systèmes physiques, dont les épaisseurs sont de l'ordre de quelques distances inter-atomiques, présentent souvent des propriétés différentes de celles des matériaux massifs : celles-ci s'expliquent par des effets dimensionnels et/ou d'effets de structure cristalline qui modifient la structure électronique, les propriétés optiques, électriques, magnétiques... Il est ainsi possible d'étudier des problèmes de physique fondamentale originaux et captivants qui peuvent déboucher à court terme sur des réalisations technologiques nouvelles que ce soit dans le domaine des couches minces magnétiques (celui dans lequel j'ai été essentiellement actif) ou dans celui des réflectomètres et/ou monochromateurs X-UV, autre branche d'activité très importante du groupe "couches minces". Il est essentiel de noter que ces propriétés nouvelles ne peuvent s'interpréter correctement que par une connaissance fine des mécanismes de croissance ainsi que des structures cristallographiques et géométriques des échantillons réalisés. C'est ce but que nous avons constamment poursuivi en multipliant les méthodes d'analyse qu'elles soient in-situ et fonctionnant pendant les dépôts ou bien encore ex-situ après la réalisation des échantillons.
Mon travail a d'abord consisté à étudier le système de bicouches or et indium par des mesures fines, non destructives et fonctionnant pendant les dépôts de ces matériaux, telles que la mesure de la résistance électrique, du travail de sortie puis par diffraction d'électrons rapides rasants et finalement en utilisant des expériences d'absorption d'électrons de faible énergie. Les expériences de mesure de la résistance électrique nous ont permis de mettre en évidence, suivant les épaisseurs d'indium et les températures de dépôts, des modifications irréversibles que nous avons pu localiser à l'interface or/indium. Il a été possible également d'étudier leur rôle sur les effets de taille quantiques (ETQ) qui avaient été mis en évidence, pour la première fois, sur le même système par des mesures de résistance électrique par C. Pariset et J.P. Chauvineau[1, 2]. Ce phénomène d'ETQ a été ensuite décelé, d'une part par des mesures de travail de sortie en utilisant deux méthodes, celle dite de Kelvin, utilisant un pendule vibrant, et celle de la diode, et d'autre part par la diffraction d'électrons rapides rasants (RHEED). Pour pouvoir interpréter la valeur anormalement élevée de la période de ces oscillations d'ETQ détectées par les méthodes précédentes nous avons monté une expérience d'absorption d'électrons de faible énergie au travers de ces bicouches or/indium qui ont confirmé nos premières hypothèses. Le développement de ces différents résultats constituera la première partie de mon exposé.
Puis, dans une deuxième partie, j'exposerai les expériences de caractérisation fine des interfaces de système constitués par la superposition de couches nanométriques de métaux nobles et de métaux de transition magnétiques. Je détaillerai les résultats obtenus par RHEED, réflectométrie de rayons X mous, par diffraction de rayons X et des mesures d'EXAFS ainsi que les propriétés magnétiques nouvelles découvertes sur ces échantillons par les équipes avec qui nous avons mené, et menons encore, des collaborations étroites.
Pour finir je présenterai la nouvelle expérience que nous mettons en ce moment au point en collaboration avec l'équipe dirigée par G. Lampel du Laboratoire de la Physique de la Matière Condensée de l'Ecole Polytechnique à Palaiseau ainsi que les premiers résultats obtenus. Il s'agit d'étudier l'interaction d'électrons de faible énergie et polarisés en spin avec des couches minces magnétiques pour pouvoir comprendre plus finement l'origine des phénomènes de magnétorésistance géante découverts sur les échantillons évoqués dans la deuxième partie et de mesurer de manière directe les libres parcours moyens des électrons quand ceci ont des énergies faibles (quelques eV tout au plus).
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  • HAL Id : tel-00007871 , version 1

Citer

Christian Marliere. CONTRIBUTIONS A L'ETUDE DE COUCHES METALLIQUES ULTRA-MINCES : PROPRIETES STRUCTURALES, ELECTRIQUES, MAGNETIQUES. Matière Condensée [cond-mat]. Université Paris Sud - Paris XI, 1994. ⟨tel-00007871⟩
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