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Jonctions tunnel magnétiques : une interface abrupte n’est pas forcément idéale

Avril 2008

La manipulation du spin dans un semiconducteur (électronique de spin) demande l’injection et la détection de porteurs polarisés à travers des jonctions magnétiques tunnel aux interfaces abruptes. La croissance par épitaxie par jets moléculaires permet de créer des interfaces Fe/SC (SC=ZnSe ou GaAs) presque idéales, comme celles modélisées par les théoriciens. Cependant, bien que les calculs prévoient un magnéto-transport très efficace, les résultats expérimentaux restent mitigés. Nos calculs montrent que l’interface Fe/ZnSe, bien qu’abrupte, n’est pas idéale et indiquent une perspective pour les améliorer.

Les systèmes Fe/GaAs et Fe/ZnSe ont été très étudiés dans le passé car : (i) tous les calculs théoriques prévoient un magnéto-transport très efficace et (ii) sous certaines conditions de croissance, ils présentent une interface FM/SC abrupte, d’un point de vue chimique (une variation nette du contraste par microscopie électronique en transmission, pas de signes de réactivité en photo-émission X) et magnétique (Dichroïsme Circulaire Magnétique de Rayons X- XMCD, Marangolo et al, PRL 2002). Cependant, l’efficacité de ces structures (magnéto-résistance tunnel < 10%) reste insuffisante pour des applications dans l’électronique de spin. Ces interfaces abruptes ne sont donc pas aussi idéales que l’on croirait...

Le premier résultat de nos calculs est de corroborer les résultats expérimentaux obtenus par l’équipe « Couches minces et nanostructures hybrides » : le fer en contact avec ZnSe est bien ferromagnétique mais le plan atomique du fer à l’interface présente aussi des atomes de zinc en substitution. La présence de cette couche mixte avait été supposée précédemment lors d’expériences de photoémission au synchrotron (Eddrief et al, PRB 2006). Le même phénomène a été observé dans le système Fe/GaAs (Ga en substitution).

Nos calculs DFT (Density Functional Theory) montrent que la polarisation de spin du fer au niveau de Fermi (Dn(EF) = nup(EF)-ndown(EF)) est fortement affaiblie par la présence des atomes de zinc à l’interface. En effet, le signe de Dn(EF) est déterminé par un état de spin minoritaire du fer, une sorte de liaison pendante de symétrie ‘d’ dont la densité de charge est présentée dans la figure 1.

© INSP

Figure 1 : Densité de charge des états électroniques d’interface, de spin minoritaire, près du niveau de Fermi. L’echelle va de 0 à 1 avec un pas de 0.2 e/ unité de volume par ligne.

Le zinc qui remplace une partie du fer à l’interface détruit cet état fortement polarisé en spin. Dans les interfaces mixtes (plus réalistes, car cohérentes avec les données de photoémission et selon les calculs plus stables que les jonctions idéales) deux nouveaux états d’interface apparaissent, bien loin du niveau de Fermi. Les conséquences sur la polarisation de spin de l’interface et sur la propagation des états électroniques du Fe dans la barrière de ZnSe (fig.2) sont catastrophiques, avec une dépolarisation de spin presque totale.

JPEG © INSP

Fig.2 Densité électronique locale près du niveau de Fermi à l’intérieur de la barrière en fonction de la distance de l’interface. La différence entre la contribution des majoritaires et des minoritaires indique la polarisation en spin des états évanescents. L’échelle semi-logarithmique met en évidence la décroissance exponentielle.

Ce phénomène d’interface est très probablement à l’origine des faibles valeurs de magneto-resistance tunnel mesurées par diverses équipes sur Fe/ZnSe et, probablement, sur Fe/GaAs.

Les résultats théoriques suggèrent ainsi une issue à ce problème : l’interface idéale Fe/ZnSe – terminé Zn présente une forte polarisation…serait-il possible de la stabiliser par une croissance à basse température ? Existeraient d’autres interfaces Fe/SC plus favorables à l’injection de spin ?

En savoir plus :

« Jonctions tunnel magnétiques : une interface abrupte n’est pas forcement idéale. » Phys. Rev. B 77, 115342 (2008) Massimiliano Marangolo et Fabio Finocchi (INSP)