X-ray magnetic circular dichroism in (Ge,Mn) compounds: experiments and modeling

X-ray absorption (XAS) and x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) spectra at the L$_{2,3}$ edges of Mn in (Ge,Mn) compounds have been measured and are compared to the results of first principles calculation. Early \textit{ab initio} studies show that the Density Functional Theory (DFT) can very well describe the valence band electronic properties but fails to reproduce a characteristic change of sign in the L$_{3}$ XMCD spectrum of Mn in Ge$_3$Mn$_5$, which is observed in experiments. In this work we demonstrate that this disagreement is partially related to an underestimation of the exchange splitting of Mn 2$p$ core states within the local density approximation. It is shown that the change in sign experimentally observed is reproduced if the exchange splitting is accurately calculated within the Hartree-Fock approximation, while the final states can be still described by the DFT. This approach is further used to calculate the XMCD in different (Ge,Mn) compounds. It demonstrates that the agreement between experimental and theoretical spectra can be improved by combining state of the art calculations for the core and valence states respectively.Comment: 8 page

Interface-driven phase separation in multifunctional materials: the case of GeMn ferromagnetic semiconductor

We use extensive first principle simulations to show the major role played by interfaces in the mechanism of phase separation observed in semiconductor multifunctional materials. We make an analogy with the precipitation sequence observed in over-saturated AlCu alloys, and replace the Guinier-Preston zones in this new context. A new class of materials, the $\alpha$ phases, is proposed to understand the formation of the coherent precipitates observed in the GeMn system. The interplay between formation and interface energies is analyzed for these phases and for the structures usually considered in the literature. The existence of the alpha phases is assessed with both theoretical and experimental arguments

Thermoelectric properties of high quality nanostructured Ge:Mn thin films

We report on the elaboration of germanium manganese nanostructured thin films and the measurement of their thermoelectric properties. We investigate the growth of Ge:Mn layers along with a thorough structural characterization of this materials at the nanoscale. The room temperature thermoelectric properties of these layers containing spherical inclusions are discussed regarding their potential as a model of "electron crystal phonon glass material". We show that the thermal conductivity can be decreased by a factor of 30, even if the electronic properties can be conserved as in the bulk. The thermoelectric performance ZT of such material is as high as 0.15 making them a promising thermoelectric p-type material for Ge related application

From diluted magnetic semiconductors to self-organized nanocolumns of GeMn in Germanium

While achieving high Curie temperatures (above room temperature) in diluted magnetic semiconductors remains a challenge in the case of well controlled homogeneous alloys, several systems characterized by a strongly inhomogeneous incorporation of the magnetic component appear as promising. Incorporation of manganese into germanium drastically alters the growth conditions, and in certain conditions of low temperature Molecular Beam Epitaxy it leads to the formation of well organized nanocolumns of a Mn-rich material, with a crystalline structure in epitaxial relationship with the Mn-poor germanium matrix. A strong interaction between the Mn atoms in these nanocolums is demonstrated by x-ray absorption spectroscopy, giving rise to a ferromagnetic character as observed through magnetometry and x-ray magnetic circular dichroism. Most interesting, intense magneto-transport features are observed on the whole structure, which strongly depend on the magnetic configuration of the nanocolumns.Comment: SPIE Optics & Photonics Symposium, San Diego : \'Etats-Unis d'Am\'erique (2008

Identification of a novel polyfluorinated compound as a lead to inhibit human enzymes aldose reductase and AKR1B10 : structure determination of both ternary complexes and implications for drug design

Aldo-keto reductases (AKRs) are mostly monomeric enzymes which fold into a highly conserved ([alpha]/[beta])8 barrel, while their substrate specificity and inhibitor selectivity are determined by interaction with residues located in three highly variable external loops. The closely related human enzymes aldose reductase (AR or AKR1B1) and AKR1B10 are of biomedical interest because of their involvement in secondary diabetic complications (AR) and in cancer, e.g. hepatocellular carcinoma and smoking-related lung cancer (AKR1B10). After characterization of the IC50 values of both AKRs with a series of polyhalogenated compounds, 2,2',3,3',5,5',6,6'-octafluoro-4,4'-biphenyldiol (JF0064) was identified as a lead inhibitor of both enzymes with a new scaffold (a 1,1'-biphenyl-4,4'-diol). An ultrahigh-resolution X-ray structure of the AR-­NADP+-JF0064 complex has been determined at 0.85 Å resolution, allowing it to be observed that JF0064 interacts with the catalytic residue Tyr48 through a negatively charged hydroxyl group (i.e. the acidic phenol). The non-competitive inhibition pattern observed for JF0064 with both enzymes suggests that this acidic hydroxyl group is also present in the case of AKR1B10. Moreover, the combination of surface lysine methylation and the introduction of K125R and V301L mutations enabled the determination of the X-ray crystallo­graphic structure of the corresponding AKR1B10-NADP+-JF0064 complex. Comparison of the two structures has unveiled some important hints for subsequent structure-based drug-design efforts

Epitaxie par jets moléculaires de nanostructures isolées de germanium sur silicium

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures isolées de Ge sur Si. Nous nous sommes intéressés à trois types de nanostructures; des boîtes quantiques isoléees de Ge avec une forte densité, des boîtes de Ge auto organisées sur des îlots de Si et des nanostructures de Ge incorporées dans des nanofils de Si. Un effort important a été porté sur l'élaboration de ces nanostructures par la voie EJM et sur la caractérisation de leurs propriétés structurales et chimiques. Nous avons mis en évidence par une étude de diffraction X en incidence rasante (GID) et par spectroscopie d'absorption X (EXAFS) que les boîtes quantiques de Ge épitaxiées à travers une fine couche d'oxyde étaient fortement contraintes par rapport au substrat de Si et sont presque pures Ge. La structure cristalline des boites de Ge encapsulées dans le Si a été étudiée par microscopie électronique en haute résolution (MET) et une étude par photoluminescence à basse température a montré une émission de ces boîtes dans le spectre visible. Cette luminescence a été attribuée à la présence de liaison résiduelle Ge-O à l'interface entre les boîtes et le Si d'encapsulation. La croissance d'îlots de Si par épitaxie latérale à travers la couche d'oxyde a permis de supprimer ces liaisons et d'obtenir une luminescence des boîtes de Ge dans l'infra rouge avec une très faible largeur de raie. Ce phénomène est attribué à une faible dispersion en taille des boites de Ge élaborées sur ces ilots de Si. Le dernier volet de ces travaux a porté sur l'élaboration de nanofils de Si par la voie VLS et sur l'incorporation de couches fines de Ge dans ces nanofils. L'interdiffusion du silicium dans ces couches de Ge a été quantifié par diffraction anomale et la structure cristalline des fils a été étudiée par METThe works presented in this manuscript focus on the growth by molecular beam epitaxy (MBE) of Ge isolated nanostructures on Si. Growth of high density isolated Ge dots through a very thin silicon oxide layer, self organized Ge dots on Si islands and Ge nanostructures incorporated in Si nanowires have been investigated. Investigations of the structural properties of ultra small Ge dots, grown through a thin silicon oxide layer on Si(001), have been performed by combining Grazing Incidence X-ray Diffraction (GID) and Surface Extended X-ray Absorption Fine Structure (SEXAFS). Dots are highly strained to the Si (001) substrate and are almost pure Ge. Structural properties of these dots embedded into Si have been investigated by High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM). Low temperature photoluminescence studies evidenced a visible luminescence, induced by the presence of Ge-O bonds. These bonds have been suppressed by growing Ge dots on silicon islands on the silicon oxide layer. A narrow peak of luminescence has been observed at 1550 nm. This phenomenon can be related to the narrowing of the size distribution of Ge dots on the Si islands. In the last part of this work, silicon nanowhiskers have been grown by molecular beam epitaxy on Si (111) by vapor-liquid-solid mechanism induced by gold droplets. Very thin Ge containing layers have been incorporated in Si nanowhiskers in order to grow SiGe heterostructures. Anomalous grazing incidence x-ray diffraction and transmission electron microscopy observations show a strong intermixing of Si with Ge in nanowhiskers and formation of SiGe heterostructures which are highly strained to SiGRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Epitaxie par jets moléculaires de nanostructures de germanium à travers une fine couche diélectrique sur Si(001)

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Etude des propriétés physiques des phases de Ge(1-x)Mn(x) ferromagnétiques pour l'électronique de spin

La synthèse de semiconducteurs ferromagnétiques à température ambiante est désormais un enjeu majeur pour le développement de l'électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de nos travaux sur le système Germanium dopé Manganèse. Nous y discutons tout d'abord les propriétés structurales de couches minces de GeMn élaborées par épitaxie par jets moléculaires, grâce aux techniques de microscopie électronique en transmission, diffraction d'électrons et de rayons X, et spectroscopie EXAFS. Nous nous sommes particulièrement intéressés à la ségrégation du Mn qui conduit à la formation de phases riches en manganèse. Dans les couches élaborées à basse température (~100C), cette ségrégation se traduit par une décomposition spinodale 2D qui a pour conséquence la formation de nanocolonnes riches en Mn entourées par une matrice de Ge. La croissance à des températures supérieures à 200 C conduit en revanche à la formation de précipités métalliques de Ge3Mn5. Dans un second temps, nous avons étudié les propriétés magnétiques de ces différentes phases. Nous avons mis en évidence un comportement superparamagnétique des nanocolonnes et pour certaines conditions de croissance, un comportement ferromagnétique à des températures supérieures à 400K. Nous nous sommes finalement penchés sur des systèmes plus complexes alliant les nanocolonnes de GeMn à d'autres matériaux (GaAs, MnO, Ge), pour démontrer certaines fonctionnalités (exchange bias, auto-organisation des colonnes ...) indispensables à la réalisation de dispositifs spintroniques. L'ensemble de ces résultats ouvre la voie vers l'injection de spin dans les semiconducteurs tels que le Si, Ge et GaAs.The growth of magnetic semiconductors with Curie temperature above room temperature is one of the major challenges of spintronics. In this manuscript, we describe our results on MBE grown Ge:Mn layers. We first investigate structural properties with transmission electron microscopy, electron and X-ray diffraction and EXAFS spectroscopy. We have observed that Mn segregation in GeMn thin films results in the formation of Mn-rich phases. For low growth temperature (~100C), a spinodal decomposition occurs which leads to the growth of Mn-rich nanocolumns embedded in a germanium matrix. For temperature higher than 200C, Ge3Mn5 clusters were evidenced. The magnetic properties of these phases were also studied. Superparamagnetism was observed in Mn-rich nanocolumns, and under precise growth conditions, ferromagnetism up to 400K was demonstrated. By combining GeMn nanocolumns with various materials (GaAs, Ge, MnO), we have evidence phenomena such as exchange bias or columns self-organization which are of great interest for spintronics devices. The results presented in this manuscript are very promising for spintronics since they open a way for spin injection into semiconductors such as Ge, Si, and GaAs.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Injection de spin dans le germanium (de l'injecteur ferromagnétique métallique à l'injecteur semiconducteur (Ge,Mn))

Le développement de nouveaux dispositifs spintroniques à base de semi-conducteurs (SC) nécessite la création d'une population électronique polarisée en spin dans ces matériaux. De ce point de vue, le germanium est un matériau prometteur pour les applications en spintronique à cause de la forte mobilité des porteurs de charge ainsi que de la symétrie d'inversion du cristal diamant à l'origine de temps de vie de spin très longs. Dans ce manuscrit, nous discutons deux approches pour l'injection et la détection électrique de spins dans le germanium. La première approche consiste à utiliser une barrière tunnel et un métal ferromagnétique (FM) comme injecteur de spin. L'insertion d'une barrière tunnel à l'interface FM/SC permet de résoudre le problème fondamental du désaccord de conductivité. Nous avons utilisé deux injecteurs différents : Py/Al2O3 et CoFeB/MgO. Les mesures sont réalisées en géométrie à trois contacts et l'accumulation de spins dans le germanium est démontrée par la mesure de l'effet Hanle. Dans le cas d'une barrière d'Al2O3, les spins injectés s'accumulent sur des états localisés à l'interface oxyde/Ge et cette accumulation est observée jusqu'à 220 K. Dans le cas d'une barrière de MgO, les spins sont réellement injectés dans le canal de Ge et un signal de 20-30 V est encore observé à température ambiante. Nous discutons dans la deuxième approche l'utilisation du semi-conducteur magnétique (Ge,Mn) comme injecteur de spins dans le Ge. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés structurales et magnétiques de films minces de (Ge,Mn) fabriqués par épitaxie par jets moléculaires à basse température. En faisant varier les paramètres de croissance, nous avons pu observer des nanocolonnes de GeMn cristallines ou amorphes, ainsi que des films et des nanoparticules de Ge3Mn5. Nous nous sommes concentrés sur l'anisotropie magnétique de ces nanostructures. Finalement, la croissance de (Ge,Mn) sur GOI a été optimisée en vue de son utilisation comme injecteur de spins dans le germanium et différentes méthodes d'intégration de ce matériau dans les dispositifs de spintronique tout semi-conducteur sont discutées.Creation of spin polarization in non-magnetic semiconductors is one of the prerequisite for creation of spintronics based semiconductor devices. Germanium is interesting for spintronics applications due to its high carrier mobilities and its inversion symmetry that gives long spin lifetimes. In this manuscript, we discuss two approaches for electrical spin injection and detection in Germanium. The first approach is to use a tunnel barrier and a ferromagnetic metal as a spin injector. The tunnel barrier at the interface circumvents the conductivity mismatch problem. Two different spin injectors are used: Py/Al2O3 and CoFeB/MgO. The measurements are performed in three-terminal geometry and the proof of spin accumulation is given by Hanle measurements. In case of Al2O3, the spin accumulation is predicted to be in localized states at the oxide/Ge interface and the spin signal is observed up to 220 K. However in MgO based devices, true injection in Ge channel is predicted and spin signal of 20-30 V is observed at room temperature. The second approach of using ferromagnetic semiconductor (Ge,Mn) as spin injector is also discussed. The structural and magnetic properties of (Ge,Mn) thin-films grown by low-temperature molecular beam epitaxy (LT-MBE) are studied. Depending on the growth parameters, crystalline/amorphous GeMn nanocolumns and Ge3Mn5 thin films or nanoclusters have been observed. Magnetic anisotropy in these nanostructures is also studied. Finally, the growth of (Ge,Mn) films on GOI substrates is shown and different ways to use (Ge,Mn) as a spin injector in Ge are discussed to achieve all-semiconductor based spintronics devices.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Cyberstilo©. Towards an ergonomic and aesthetic wireless 3D-pen

This paper presents the development of a new wireless interaction device named Cyberstilo©. Virtual environments have matured during the last decade providing sophisticated solutions for exploring and experiencing 3D space in a more intuitive and natural way. Adequate interaction devices allowed the user to manipulate objects and navigate efficiently through space although having been designed for specific application scenarios. However, with its maturity new application areas of virtual reality target at multidisciplinary fields, where cultural, aesthetical, ergonomical, technical, functional and commercial requirements are becoming more important. Especially for designers aesthetics and ergonomics play an important role during the styling phase. The Cyberstilo© was specifically designed for combining ergonomical and aesthetical characterristics of interaction devices which are missing in the state-of-the-art of interaction devices