Epitaxial growth, atomic structure and exchange coupling of ultra-thin bilayers of oxides on metals

Croissance épitaxiale, structure atomique et couplage d'échange de bicouches ultra-minces d'oxydes sur métaux

Anne Lamirand (1)

1 NEEL - Institut Néel

This thesis deals with the determination of atomic, electronic and magnetic structure of ferromagnetic and antiferromagnetic ultrathin layers to better understand the mechanism of the exchange coupling which could takes place at their interface. Exchange coupling, expression of the interaction between the two materials, manifests itself by a shift of hysteresis loop and an increase in coercivity below the blocking temperature. We have paid attention to the systems of CoO/FePt on Pt(001), CoO/Fe and CoO/Fe3O4 on Ag(001). We combined experimental techniques mainly using synchrotron light to characterize them. As a first step, we optimized in a ultra-high vacuum (UHV) environment the elaboration of the systems looking for an appropriate surface, the high control of growth conditions and the supervision of the structure by in situ X-ray surface diffraction. The crystalline structure was precisely then detailed. As a second step, we studied the magnetic structure and properties ex situ by X-ray magnetic circular and linear dichroïsm and magneto-optic Kerr effect. The relation between exchange coupling and interface structure is discussed all along the manuscript.

Ce travail de thèse porte sur la détermination de la structure atomique, électronique et magnétique de couches ultraminces ferromagnétique et antiferromagnétique pour une meilleure compréhension du mécanisme de couplage d'échange qui peut avoir lieu à leur interface. Le couplage d'échange, effet de l'interaction entre les deux matériaux, se manifeste par un décalage du cycle d'hystérésis et une augmentation de la coercivité en-dessous de la température de blocage. Nous avons porté notre attention sur les systèmes de CoO/FePt sur Pt(001), CoO/Fe et CoO/Fe3O4 sur Ag(001) et combiné des techniques expérimentales principalement utilisant le rayonnement synchrotron pour les caractériser. Dans un premier temps, nous avons optimisé l'élaboration de ces systèmes dans un environnement d'ultra-haut vide (UHV) par la recherche de surfaces adaptées, le contrôle fin des conditions de croissance et le suivi de la structure par diffraction de surface des rayons X in situ. Leur structure cristalline a ensuite été caractérisée avec précision. Dans un deuxième temps, nous avons étudié leurs structure et propriétés magnétiques ex situ via le dichroïsme magnétique circulaire et linéaire des rayons X et l'effet Kerr magnéto-optique. La relation entre le couplage d'échange et la structure de l'interface est discutée tout au long de ce manuscrit.

Mots clés: Growth; X-ray diffraction and absorption; Atomic and magnetic structure of ultra-thin layers; Synchrotron; Transition metal oxide; Exchange coupling

Mots clés: Croissance; Absorption et diffraction de surface des rayons X; Structure atomique et magnétique de couches ultra-minces; Synchrotron; Oxyde de métal de transition; Couplage d'échange

Domaines: Matière Condensée [cond-mat]; Micro et nanotechnologies/Microélectronique; Physique Générale [physics.gen-ph]

Anne Lamirand. Epitaxial growth, atomic structure and exchange coupling of ultra-thin bilayers of oxides on metals. Condensed Matter [cond-mat]. Université de Grenoble, 2014. English. ⟨NNT : 2014GRENY032⟩. ⟨tel-01112939v2⟩