Couches Minces Epitaxiées de Ferrite de Cobalt pour le Filtrage de Spin à Température Ambiante
Les progrès remarquables réalisés dans la croissance des oxydes magnétiques complexes ont suscité un regain d’intérêt pour l’étude des phénomènes physiques traditionnellement inaccessibles à température ambiante. Un parfait exemple est le filtrage de spin, qui permet de générer des courants d’électrons fortement polarisés en spin grâce au transport sélectif des électrons à travers une barrière tunnel magnétique. L’observation du filtrage de spin à température ambiante pourrait avoir un impact important sur les générations futures des dispositifs pour l’électronique de spin non seulement parce que les filtres à spin peuvent avoir une efficacité de 100%, mais aussi parce qu’ils peuvent être combinés avec une électrode métallique, constituant ainsi une alternative à l’utilisation des électrodes demi-métalliques ou aux systèmes nécessitant un transport tunnel cohérent. Dans cette thèse, nous présentons une étude approfondie du matériau ferrite de cobalt (CoFe
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4), dont le caractère isolant et la température de Curie élevée (793 K) en font un très bon candidat pour le filtrage de spin à température ambiante. L’élaboration des couches minces de CoFe
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4 et des multicouches associées a été réalisée par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène. Les propriétés structurales, chimiques et magnétiques ayant un effet déterminant sur l’efficacité du filtrage de spin, celles-ci ont été étudiées par plusieurs méthodes de caractérisation in situ et ex situ. Des jonctions tunnel à base du filtre à spin CoFe
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4 ont ensuite été préparées pour des mesures de transport tunnel polarisé en spin, soit par la méthode de Meservey-Tedrow, soit par des mesures de magnétorésistance tunnel (TMR). Dans ce dernier cas, nous avons porté une attention particulière au retournement magnétique de la barrière tunnel magnétique de CoFe2O4 et de la contre électrode magnétique (Co ou Fe
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4), une étape cruciale avant toute mesure de TMR. Dans les deux cas, les mesures de transport tunnel polarisé en spin ont révélé des polarisations significatives du courant tunnel à basse température, et à température ambiante pour les mesures de TMR. Par ailleurs, nous avons trouvé une dépendance unique entre la TMR et la tension appliquée qui reproduit celle prédite théoriquement pour les barrières tunnel magnétiques. Nous démontrons ainsi que les barrières tunnel de CoFe
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4 constituent un système modèle pour étudier le filtrage de spin dans une large gamme de températures.
Epitaxial Cobalt-Ferrite thin films for room temperature spin filtering.
Remarkable progress in the growth of complex magnetic oxides has sparked renewed interest in physical phenomena traditionally inaccessible at room temperature. One prime example is spin filtering, which can potentially produce highly spin-polarized electron currents by the spin-selective transport of electrons across a magnetic tunnel barrier. Successful spin filtering at room temperature could significantly impact future generations of spin-based device technologies not only because spin filters may function with 100% efficiency, but because they may be combined with any non-magnetic metallic electrode, thus providing a versatile alternative to half metals or systems that require coherent spin-polarized tunneling. In this thesis, we present a complete study of the material cobalt ferrite (CoFe
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4), whose insulating behavior and high Curie temperature (793 K) make it a very good candidate for spin filtering at room temperature. CoFe
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4 thin films and associated multilayers were grown by oxygen plasma-assisted molecular beam epitaxy. Their structural, chemical and magnetic properties were studied by a number of in situ and ex situ characterization techniques, as these are known to significantly impact the spin filter capability of complex magnetic oxides. CoFe
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4-based spin filter tunnel junctions were then prepared for spin polarized tunneling experiments involving either the Meservey-Tedrow technique or tunneling magnetoresistance (TMR) measurements. In the case of the latter experiments, we also paid special attention to the magnetization reversal behavior of the CoFe
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4 spin filter barrier and its magnetic counter-electrode (Co or Fe
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4), which was a crucial step towards the successful measurement of TMR. In both cases, spin polarized transport measurements reveal significant spin polarization of the tunneling current at low temperature, and at room temperature in the case of the TMR. In addition, the TMR ratio follows a unique bias dependence that has been theoretically predicted to be the signature of spin filtering in magnetic tunnel barriers. We therefore show that CoFe
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4 tunnel barriers provide a model system to investigate spin filtering in a wide range of temperatures.
IRAMIS/SPCSI
