... Les mousses, traceurs de métaux dans l’environnement
JUILLET 2000 N° 24
Une nouvelle phase d'oxyde de fer en couche mince a été découverte par une équipe du SRSIM.
Les têtes de lecture de nos disques durs sont actuellement
formées de couches minces magnétiques métalliques présentant des
propriétés de magnétorésistance géante [cf. Phases
n°20]. Certains oxydes magnétiques comme les manganites, la magnétite ou
le dioxyde de chrome, présentent la particularité d'avoir le spin des
électrons de conduction complètement aligné avec le champ magnétique
interne. Ce sont d'excellents candidats pour présenter des propriétés
magnétorésistives géantes. La stabilité et la dureté de ces matériaux les
rendent particulièrement intéressants pour les têtes de lecture des disques
durs du futur. L'optimisation des performances de ces dispositifs passe par un
bon contrôle de la pureté, de la composition et de la croissance des couches
à l'échelle atomique.
Dans ce cadre, une équipe du SRSIM a choisi de faire croître une couche mince
d'oxyde magnétique, atome par atome, sur une surface d'alumine parfaitement
connue [cf. Phases n°17]. La
méthode retenue est l'épitaxie par jets moléculaires (Molecular Beam Epitaxy,
MBE). Elle consiste à déposer à la fois des atomes de métal et des atomes
d'oxygène, très réactifs (voir encadré). On peut ainsi
élaborer des nanostructures de bonne qualité cristallographique, de
composition chimique contrôlée et de très faible épaisseur, variable d'une
couche atomique à plusieurs dizaines de couches atomiques. Cette méthode
permet d'obtenir des objets inaccessibles par d'autres voies de synthèse. En
cours de dépôt, la diffraction d'électrons rapides en incidence rasante
permet la mesure du paramètre de maille dans le plan de surface de chaque
couche atomique déposée.
Les oxydes de fer possèdent des propriétés magnétiques intéressantes et ont l'avantage de présenter des relations cristallographiques simples avec la surface (0001) de l'alumine a-Al2O3. C'est pourquoi le système (Fe,O) / a-Al2O3 a été choisi pour étudier les propriétés fondamentales de la croissance. L'oxyde a-Fe2O3 (hématite) a la même structure cristallographique que l'alumine, mais un paramètre de maille 6 % plus grand. La figure 1 montre l'évolution du paramètre de maille dans le plan du film en fonction du temps de dépôt.
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Dans le schéma classique de la croissance "pseudomorphe", c'est-à-dire où le paramètre du film coïnciderait avec celui du substrat, on attendrait donc la formation d'un film de a-Fe2O3 contracté par rapport à l'hématite standard. Ce n'est pas ce que l'on observe : de façon inattendue, dès le début de la croissance, il y a formation d'une phase inconnue dans le diagramme de phase (Fe, O). Elle est très dilatée : son paramètre de maille est plus grand que celui de tous les oxydes de fer stables. Dès la deuxième couche, la phase d'hématite standard commence à se former et devient majoritaire au fur et à mesure que le dépôt avance.
Encore plus surprenant : cette phase apparaît aussi lorsque l'on se met dans les conditions de croissance d'autres oxydes de fer comme g-Fe2O3 (maghémite) et Fe3O4 (magnétite) sur l'alumine.
Comment expliquer la stabilisation de cette phase particulière
? Pour une couche mince de composé ionique, on peut diminuer considérablement
l'énergie électrostatique de surface en diminuant la distance interplanaire,
ce qui induit alors une dilatation des distances inter-atomiques dans le plan.
A la différence de la croissance des métaux et semiconducteurs, c'est
l'énergie électrostatique de surface qui domine le bilan énergétique. Les
termes d'énergie interfaciale et de contrainte ne jouent pas de rôle
significatif, ce qui explique l'absence de croissance pseudomorphe.
Cette étude montre que la MBE permet d'obtenir, dans le cas des couches minces d'oxydes, des phases nouvelles, sans équivalent dans les matériaux massifs. La prochaine étape consiste à explorer leurs propriétés magnétiques, en vue d'applications potentielles.
Pour en savoir plus :
S. Gota, E. Guiot, M. Henriot, M. Gautier-Soyer, Phys. Rev. B60 (1999) 14387.
Contacts :
Susana GOTA, Martine GAUTIER-SOYER.
Phases Magazine N° 25
Voyage au centre de l’agrégat ...