Institut des
NanoSciences de Paris
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Couches nanométriques : formation, interfaces, défauts, fait marquant

Ferromagnétisme de GaMnAs : impact de la concentration des trous

Jurgen Von Bardeleben, Jean-Louis Cantin, Kashayar Khazen

Les propriétés magnétiques des couches minces de GaMnAs ont été étudiées par un grand nombre des laboratoires en raison de leurs applications en électronique de spin. Une question fondamentale est l’impact de la concentration des trous sur les propriétés magnétiques. En raison du double rôle du Mn, fournissant des trous et des ions magnétiques simultanément, ce problème n’a pu être abordé d’une manière satisfaisante. Un projet mené par le laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) nous a permis d’explorer en collaboration avec L. Thévenard et A. Lemaître ce sujet par spectroscopie de résonance ferromagnétique (FMR). Il consistait à modifier la concentration des trous d’une couche par une hydrogénation complète suivie d’une exodiffusion partielle d’hydrogène. De cette façon la concentration des trous peut être ajustée de 1021cm-3 à moins que 1017cm-3 dans un même échantillon. Ceci nous permet d’étudier trois régimes de conduction : métallique, bande d’impureté et isolant avec des modélisations de magnétisme distinctes. L’intérêt d’utiliser la spectroscopie FMR pour une telle étude est lié à sa grande résolution en champ/énergie, sa grande sensibilité (proche de la monocouche) et son caractère dynamique qui permet de mesurer la relaxation de l’aimantation.

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Fig.1 : Variation angulaire des spectres FMR à T=4K, 80K, 110K, couche dépassivée

Les principaux résultats obtenus sont les suivants : un état ferromagnétique à longue portée avec une température TC>4K persiste jusqu’à une concentration limite de 1x1018cm-3  ; pour des concentrations inférieures la couche est paramagnétique pour T>4K et sa susceptibilité suit une loi de Curie-Weiss avec une température de Curie de -25K. L’interaction de superéchange est donc antiferromagnétique comme dans la plupart des composés 2-6 dopés Mn. Ces résultats contredisent certains travaux théoriques qui prévoient une interaction ferromagnétique.
Les températures critiques des films sont obtenues ici à partir de la variation de l’intensité des spectres FMR, en tenant compte du champ magnétique appliqué non nul.
La température de Curie des couches varie en fonction de la concentration des trous comme TC [p]1/3 en accord avec les modèles de champ moyen.
En raison de la contrainte compressive l’axe de facile aimantation est dans le plan de la couche (//[100], Fig.1). Son orientation change avec la température et s’oriente selon [-110] vers 0.8TC. L’orientation des axes varie avec la concentration des trous : en particulier l’axe facile est orienté normal au plan du film pour [p] <2x1018cm-3.
Nous avons déterminé les constantes d’anisotropie de deuxième et quatrième ordre en fonction de la concentration des trous et de la température. La variation de la constante dominante K2⊥ à T=4K est représentée Fig.2

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Fig.2 Variation de K2⊥ en fonction de [p]

Une analyse fine de la variation angulaire des spectres FMR permet de mettre en évidence l’influence de la concentration de trous sur le facteur de Landé g (Fig.1). Ce facteur est directement lié à la concentration des trous et devient significativement différent (g<2.00) de celui de Mn2+ isolé lorsque [p]>1020cm-3.

Une analyse des largeurs de raies FMR en fonction de la fréquence de mesure (9Ghz/35GHz) nous a permis de déterminer le facteur d’amortissement (damping factor) dans les couches de GaMnAs /GaInAs et GaMnAs/GaAs. Les valeurs faiblement anisotropes sont en bon accord avec des prévisions théoriques. Ces études sont l’objet du travail de thèse de K.Khazen commencé en 2005 et se prolongent avec la thèse de M. Cubukcu depuis mars 2007.

Nous les étendons actuellement aux multicouches magnétiques formées par un empilement de films ferromagnétiques, semiconducteurs ou métalliques, et envisageons d’étudier par FMR le couplage magnétique entre les couches.

Publications :

  • « Dependence of magnetic anisotropies and critical temperatures on the hole concentration in ferromagnetic GaMnAs thin films ». Khazen, Kh. von Bardeleben, H.J. ; Cantin, J.L. ; Thevenard, L. ; Largeau, L. ; Mauguin, O. ; Lemaitre, A. IEEE Trans. Mag. vol.43, 3028 (2007)
  • « Evolution of the magnetic anisotropy with carrier density in hydrogenated Ga1-xMnxAs ». Thevenard, L. ; Largeau, L. ; Mauguin, O. ; Lemaitre, A ; Khazen, Kh. ; von Bardeleben, H.J. Phys. Rev. B vol.75, 195218 (2007)
  • « FMR investigations of Ga0.93Mn0.07As thin films with constant Mn and variable free hole concentrations ». Khazen, Kh. ; von Bardeleben, H.J. ; Cantin, J.L. ; Thevenard, L. ; Largeau, L. ; Mauguin, O. ; Lemaitre, A. soumis à Phys. Rev. B