Service de Physique de l'Etat Condensé

Réalisation d'une barrière d'alumine cristalline pour l'obtention de composants magnétorésistifs tunnel à base de magnétite
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Image de microscopie électronique en transmission d'une bicouche Fe3O4/Al2O3. Insert: transformée de Fourier de l'image. (Coll: P. Bayle-Guillemaud).

La magnétite Fe3O4 est un matériau intéressant pour l’électronique de spin car des calculs de structure de bandes la prédisent demi-métallique. Par ailleurs la température d’ordre élevée de ce composé ferrimagnétique (Tc= 860 K) permet d’espérer que la propriété de demi-métallicité persiste à température ambiante. Cependant, les valeurs de magnétorésistance tunnel (TMR) rapportées à ce jour sont très faibles à l’ambiante, excepté pour les jonctions utilisant une barrière d’alumine amorphe pour lesquelles des valeurs de TMR de l’ordre de 10 % ont été obtenues. Le dépôt de la barrière d’alumine est une étape critique, étant donné que l’aluminium a une très forte réactivité avec l’oxygène environnant. La présence d’une couche d’alumine entraîne généralement la formation d’une phase réduite à l’interface Fe3O4/Al2O3, et donc la disparition de la demi-métallicité de Fe3O4 dans les dernières monocouches. Dans ce contexte, nous avons effectué une étude permettant d’une part de réaliser la croissance épitaxiale d’une couche d’alumine de quelques nanomètres d’épaisseur sur la magnétite et d’autre part de contrôler la stœchiométrie de l’interface Fe3O4/Al2O3.

Des bicouches du type Fe3O4(15 nm)/Al2O3(1.5 nm) ont été réalisées par épitaxie par jets moléculaires (MBE : Molecular beam Epitaxy). La bonne épitaxie de la couche d’alumine sur Fe3O4 est confirmée par les clichés de microscopie électronique à haute résolution (HRTEM), démontrant le caractère cristallin de l’alumine déposée.

 

A gauche: spectre XPS caractéristique du niveau de coeur Al 2p de toutes les bicouches Fe3O4/Al2O3 étudiées correspondant à un état oxydé.
A droite: spectres XPS des niveaux de coeur Fe 2p des couches de Fe3O4 recouvertes par
une barriere de Al2O3 de 1.5 nm d'épaisseur réalisée pour différents flux de Al.

Nous nous sommes attachés à faire varier les flux relatifs d’aluminium et d’oxygène afin d’optimiser la stœchiométrie des films de magnétite à l’interface. La faible épaisseur de la couche d’alumine permet de sonder l’interface Fe3O4/Al2O3 en réalisant des spectres XPS au seuil 2p du fer. La présence de raies satellites multiélectroniques permet de déterminer le degré d’oxydation du fer (Fe3+ ou Fe2+) et donc qualitativement la stoechiométrie des films d’oxyde de fer. Selon les valeurs relatives des flux d’aluminium et d’oxygène pendant le dépôt, l’interface peut donc être oxydée, stœchiométrique ou réduite (dans les limites de la précision de cette méthode). Les mesures de magnétisme (VSM) ont mis en évidence l’existence d’une transition de Verwey pour les bicouches à interface stoechiométrique à la même température qu’une couche simple de Fe3O4 et à une température plus faible pour les bicouches à interface réduite. Aucune transition n’est par contre décelable pour les bicouches à interface oxydée. Etant donné l’extrême sensibilité de la température de transition à la stoechiométrie, nous pouvons en conclure que les propriétés magnétiques de Fe3O4 sont conservées dans l’empilement Fe3O4/Al2O3 à interface stoechiométrique, contrairement aux empilements à interface oxydée et réduite.

Crystalline γ-Al2O3 barrier for magnetite-based magnetic tunnel junctions, 
A.M. Bataille et al., Appl. Phys. Lett. 86 012509 (2005).

 

Maj : 13/10/2009 (346)

 

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