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Des anisotropies magnétiques à la carte

En passant des alliages ternaires de GaMnAs, aux alliages quaternaires GaMnAsP, nous avons ajouté un paramètre libre, la concentration de phosphore, qui nous permet de moduler les orientations des axes faciles d’aimantation, indépendamment de la concentration de manganèse…

La manipulation de l’anisotropie magnétique d’une couche mince ferromagnétique par une perturbation externe (champ électrique, excitation optique, impulsion de chaleur) est un sujet de grande actualité qui suscite des nombreuses recherches dans le domaine de la spintronique. Ces recherches portent sur des structures classiques GaAs/Fe ultramince, mais aussi sur les semi-conducteurs ferromagnétiques. Les anisotropies magnétiques des films minces ferromagnétiques sont d’une grande importance pour la réalisation des dispositifs en spintronique, dans lesquels la résistivité électrique dépend de l’orientation relative des aimantations. Généralement, les anisotropies sont déterminées par la forme des objets (anisotropie de forme) et par des anisotropies magnétocristallines qui dépendent de la structure cristalline et des contraintes exercées. La particularité des films minces ferromagnétiques à base des semi-conducteurs (GaMnAs, GaMnAsP,…) est le fait que, contrairement au cas des films métalliques (Fe, Co,…), l’anisotropie de forme est négligeable par rapport aux anisotropies induites par les contraintes. Ceci est lié au caractère « dilué magnétique » de ces matériaux dopés généralement seulement à quelques % d’ions magnétiques. L’origine des contraintes est le désaccord de maille entre le substrat (typiquement (100) GaAs) et les films épitaxiés. Bien qu’il soit faible -<0.2%- il est suffisant pour orienter les axes faciles d’aimantation dans le plan ou hors de plan. Le film et le substrat ont des paramètres de maille différents en raison du dopage en Mn qui module ce paramètre. Ainsi, pour des films de GaMnAs épitaxiés sur (100) GaAs l’axe facile, est toujours orienté dans le plan du film. Plus le dopage est élevé, plus les barrières pour retourner cette aimantation deviennent importantes. Nous avons récemment montré [1] en collaboration avec des chercheurs du laboratoire LPN/Marcoussis que des alliages quaternaires dans les quelles on ajoute jusqu’à 20% de phosphore présentent une nouvelle classe de matériaux ferromagnétiques dans laquelle on peut orienter l’axe facile d’aimantation hors du plan ou dans le plan sans modifier la concentration de Mn qui est responsable des propriétés magnétiques des films (aimantation à saturation, température critique). Dans ces couches quaternaires, c’est la concentration de phosphore qui contrôle l’anisotropie magnétique : elle donne une axe facile dans le plan pour des faibles degrés d’alliage (0 à 3%) et un axe facile hors du plan pour des concentrations plus fortes de phosphore >7%. En plus, un cas particulièrement intéressant peut être obtenu par un dopage [P] intermédiaire qui permet de réduire fortement les barrières de retournement de l’aimantation [2].Dans ces couches quasi isotropes, l’axe facile peut être réorienté par un changement de température. Ces résultats ouvrent la perspective d’utiliser ces matériaux dans des nombreuses structures hybrides dans le domaine de la spintronique.

[1] M.Cubukcu et al, Phys.Rev.B81,041202(R)(2010)
[2] M.Cubukcu et al, Appl.Phys.Lett.96, 102502(2010)

Champ d'anisotropie uniaxiale en fonction de la concentration de phosphore {JPEG}
Champ d’anisotropie uniaxiale en fonction de la concentration de phosphore

 

Energie libre d'une couche de Ga0.93Mn0.07As0.94P0.06 en fonction de la température. A T=4K l'axe facile est dans le plan [100] et à T=60K elle est hors du plan [001] {JPEG}
Energie libre d’une couche de Ga0.93Mn0.07As0.94P0.06 en fonction de la température. A T=4K l’axe facile est dans le plan [100] et à T=60K elle est hors du plan [001]