Transport d’électrons chauds dans des vannes de spin sur semiconducteurs

Exemple d'hétérostructure d'intéret pour "l'électronique de spin" étudiée dans l'axe "Surfaces et Interfaces" du département Matériaux Nanosciences.

Ci-dessous, une représentation schématique d’un dispositif dit « vanne de spin » réalisé avec la MBE de l’équipe. C’est un empilement de quelques nanomètres sur semiconducteur III-V (GaAs). Les deux couches de Fer peuvent s’aimanter. La résistivité de la structure dépend de la configuration de ces électrodes magnétiques l’une par rapport à l’autre, c’est l’effet de magnétorésistance géante. L’originalité de la structure est qu’elle est entièrement épitaxiée et en contact intime avec le substrat semiconducteur. Ces caractéristiques de croissance lui confèrent des propriétés physiques étonnantes.
 

structure vanne de spin Fe-Au-Fer-GaAs(001)

L’excellente qualité structurale des vannes de spins Fe/Au/Fe/GaAs conduit à des effets de filtrage de spin aux interfaces qui permettent d’atteindre des magnéto- résitances de 500% à température ambiante en régime balistique!  Cet effet spectaculaire est observé lorsque l’on injecte des électrons chauds dans la vanne de spin. Cette expérience est réalisée grâce à un microscope à effet tunnel utilisé en mode BEEM (Ballistic Electron Emission Microscopy). Les électrons émis par la pointe traversent la structure métallique en voyageant bien au-dessus du niveau de Fermi. A l’interface entre le métal et le semiconducteur existe une barrière d’énergie (barrière Schottky). Si les électrons ont assez d’énergie pour la franchir, ils sont collectés à l’arrière du substrat (Ic sur le schéma ci-dessous). Ce courant collecté est modulé par la configuration magnétique de la vanne de spin. Lorsque les électrodes magnétiques sont parallèles, le courant est fort (contraste clair), lorsqu’elles sont anti-parallèles, le courant collecté est faible (contraste sombre). Entre les deux images ci-dessous, l’aimantation de l’électrode supérieure bascule en sens opposé suite à l’application d’un champ magnétique, provoquant donc l’inversion du contraste sur les plots.

Schéma de principe du BEEM et images BEEM de vannes de spin en forme de disque  - Sans et avec champ magnétique appliqué dans la direction [110] du substrat de GaAs (respectivement gauche et droite)

Grâce à des techniques originales d’évaporation sous masque nanométrique, nous avons réalisé des vannes de spin en forme de gellules de 300nm x 1.5µm. Avec des électrodes magnétiques de seulement quelques monocouches, l’anisotropie magnétique du Fer en contact avec le semiconducteur présente un caractère fortement uniaxial contrairement à l’électrode supérieure. Ces propriétés magnétiques sont mesurées dans l’équipe grâce à un dispositif d’effet Kerr magnéto-optique. En injectant ces mesures dans un code de simulation micro-magnétique (OOMMF), nous pouvons relier quantitativement le contraste observé en BEEM à l’angle formé par les aimantations locales des deux électrodes magnétiques.

Domaines magnétiques dans une vanne de spin en forme de gellule.

Pour aller un pas plus loin, nous tentons actuellement de reproduire cet effet de filtrage de spins aux interfaces dans un dispositif tout solide (type transistor) en associant un oxyde à la structure existante (voir schéma de bandes ci-dessous).

structure type transistor

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