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

Abstract

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