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Theses

Spintronique dans les matériaux 2D : du graphène au h-BN

Résumé : Aujourd'hui se pose une question fondamentale sur le futur de l'électronique actuelle. De plus en plus, des circuits hybrides intégrant de nouvelles fonctionnalités sont fabriqués. On envisage même, à plus long terme, des circuits basés sur une technologie différente de l'approche CMOS utilisée actuellement. Une de ces technologies est la spintronique qui tire profit du spin, degré de liberté supplémentaire de l'électron. Elle a rapidement fait ses preuves par le passé dans le stockage non volatile binaire (disques durs) et s'oriente aujourd'hui vers de nouvelles mémoires magnétiques ultra-performantes et basse consommation les MRAMs (Magnetic Random Access Memories). En parallèle, une nouvelle catégorie de matériaux à fort potentiel a émergé : les matériaux bidimensionnels (2D). Ces matériaux, dont le fer de lance est le graphène (une couche d'un atome d'épaisseur de graphite), offrent de nouvelles propriétés inégalées. Leur combinaison via la fabrication d'hétérostructures et la capacité d'avoir un contrôle de leur épaisseur à l'échelle atomique pourrait devenir un atout majeur en électronique et plus particulièrement en spintronique. L'objectif de cette thèse a été l'étude de l'intégration et la démonstration du potentiel en termes de fonctionnalités et de performances de ces nouveaux matériaux 2D au sein de jonctions tunnel magnétiques (MTJs), le dispositif prototype de la spintronique. Au cours de cette thèse, nous avons poursuivi les travaux initiés au laboratoire sur l'intégration dans des MTJs du graphène obtenu via une méthode de dépôt CVD (dépôt chimique en phase vapeur) directe sur l’électrode ferromagnétique inférieure. Nous avons démontré que les propriétés de filtrage en spin et de membrane protectrice contre l'oxydation de l'électrode ferromagnétique (FM) sous-jacente s'étendaient à une unique couche de graphène. Par ailleurs, nous avons aussi pu étudier et améliorer significativement l'amplitude du filtrage en spin et du signal de magnétorésistance observé via l'optimisation des procédés de croissance et d'intégration et le choix de différentes configurations de matériaux ferromagnétiques (Ni(111), Co...). De forts effets de filtrage de spin ont ainsi pu être observés avec des magnétorésistances allant de -15% à plus de +80%, soit presque trois fois l'état de l'art. En parallèle, nous nous sommes aussi intéressés à un autre matériau 2D, le nitrure de bore hexagonal (h-BN), isolant isomorphe du graphène qui s'apparenterait à une barrière tunnel d'un seul atome d'épaisseur. Afin d’étudier le h-BN dans une MTJ, nous avons décidé d’exploiter à nouveau le principe d’une croissance directe par CVD du matériau 2D sur le matériau FM. Des mesures CT-AFM (Conductive Tip Atomic Force Microscopy) nous ont permis de démontrer les propriétés de barrière tunnel homogène du h-BN ainsi que le contrôle possible de la hauteur de barrière avec le nombre de couches de h-BN. De plus, des mesures électriques et de magnétotransport nous ont permis de confirmer l’intégration réussie de la barrière tunnel h-BN dans notre MTJ. Nous avons pu obtenir les premiers résultats de forte magnétorésistance pour du h-BN avec une amplitude de la magnétorésistance de +50%, plus d'un ordre de grandeur au-dessus de l'état de l'art, révélant le potentiel du h-BN. Nous avons enfin aussi pu démontrer l'importance du couplage entre le h-BN et l'électrode FM offrant un potentiel de contrôle inédit sur les effets de filtrage en spin et allant jusqu'à rendre le h-BN métallique. Lors de cette thèse, nous avons pu montrer que l’intégration du graphène et du h-BN dans des MTJs via la croissance directe par CVD est un procédé privilégié pour tirer pleinement profit de leurs propriétés. Les résultats obtenus de forte magnétorésistance et de filtrage en spin laissent entrevoir le fort potentiel du graphène, du h-BN mais aussi des autres nouveaux matériaux 2D à venir pour les MTJs. Ces études ouvrent une nouvelle voie d’exploration pour les MTJs : les 2D-MTJs.
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Contributor : Abes Star :  Contact
Submitted on : Friday, June 28, 2019 - 12:01:11 PM
Last modification on : Monday, July 6, 2020 - 3:10:01 AM

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Maëlis Piquemal. Spintronique dans les matériaux 2D : du graphène au h-BN. Matière Condensée [cond-mat]. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. ⟨NNT : 2018SACLS079⟩. ⟨tel-02167925⟩

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