Soutenance mémoire
Depuis les débuts de la microélectronique avec la découverte du transistor en 1948, les fonctions de traitement de l’information et de stockage des données sont dissociées. Cette séparation s’est imposée naturellement pour des raisons technologiques. Les composants qui assurent la fonction de calcul et de traitement de l’information dans lesquels l’information est véhiculée par des courants de charges dans des canaux de conduction utilisent des transistors à base de matériaux semi-conducteurs. Par contre, la fonction de stockage des données est réalisée par des composants magnétiques. Dans ce cas, l’information est contenue dans l’aimantation de matériaux magnétiques. Dans ces matériaux, les propriétés de conduction des électrons ne sont pas mises à profit et les propriétés de spin des porteurs ne sont pas utilisées dans les unités de calculs et de traitement de l’information. L’électronique classique, qui a envahi notre quotidien, est basée sur le contrôle du courant de charge, électrons de charge négative et trous de charge positive. Les composants, des plus simples (amplificateurs, filtres, …) aux plus complexes (mémoires, microprocesseurs), sont réalisés avec des matériaux semiconducteurs, majoritairement du silicium. Les phénomènes physiques à l’origine des fonctionnalités obtenues mettent en jeu des processus complexes d’injection et de recombinaison des porteurs (électrons et trous) dans le matériau semi-conducteur, dont les caractéristiques varient localement par dopage ou par la réalisation d’hétérostructures en multicouches. Or, les électrons, charges électriques en mouvement de rotation sur eux-mêmes, possèdent également un moment magnétique propre appelé moment de spin ou spin, quantifié selon deux valeurs opposées +1/2 (up↑) et –1/2 (down↓). Dans les métaux usuels (cuivre, aluminium, …), ce moment de spin ne joue aucun rôle. Dans les matériaux magnétiques, par contre, le spin des électrons peut être utilisé en plus de la charge électrique comme facteur discriminant des porteurs électriques.
L’électronique standard qui anime les dispositifs, civils, industriels ou militaires que nous utilisons depuis les années soixante-dix, se heurte aujourd’hui à des limitations sévères. Une conjecture célèbre, dite loi de Moore, prévoyait un doublement du nombre de transistors sur une puce de silicium tous les deux ans. A ce rythme, l’année 2017 aurait dû voir la fin de cette conjecture en raison des limitations quantiques (effet tunnel, interférences…) imposées par la finesse de gravure. L’électronique basée sur le seul transport de charge des porteurs (électrons ou trous) dans des semi-conducteurs, tels que le silicium, a vu se développer progressivement une nouvelle technologie capable d’utiliser le degré de liberté de spin responsable du magnétisme, la spintronique. La spintronique, est déjà très répandue dans nos ordinateurs. En effet le phénomène de magnétorésistance géante (Giant Magnetoresistance Effect (GMR)) utilisé dans les têtes de lecture GMR des disques durs actuels a permis de multiplier par 1000 les capacités de stockage. La découverte de ce phénomène a valu à A. Fert et P. Grünberg le prix Nobel de physique 2007. Un autre champ d’application concerne l’élaboration de nouvelles mémoires vives (MRAM Magnetic Random Access Memory) alliant rapidité d’accès, non volatilité de l’information, faible consommation électrique et grande stabilité dans le temps. Cependant, les têtes de lecture des disques durs et les mémoires MRAM utilisent des alliages de métaux ferromagnétiques dont les applications sont orientées vers le seul stockage de données. L’un des grands défis consisterait à substituer en partie ces métaux par des semi-conducteurs, l’objectif étant de conduire à l’élaboration de composants électroniques versatiles combinant fonctions de stockage, de logique et de communication fonctionnant au-delà de la température ambiante. Dans cette course internationale, de nouveaux matériaux combinant à la fois propriétés semi conductrices et ferromagnétisme, ont fait leur apparition dans les années 80 : les semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS).
Généralités sur les semi-conducteurs magnétiques : cas du SiC
Electronique de spin
L’électronique de spin repose sur l’utilisation du spin de l’électron. En effet, celui-ci influe sur la mobilité des électrons dans les matériaux ferromagnétiques. Cette influence, d’abord suggérée par Mott en 1936 a été ensuite observée expérimentalement et décrite théoriquement par A. Fert . Dans un matériau non magnétique, qu’il soit métallique, isolant ou semi-conducteur, le nombre d’électrons de spin up↑ et de spin down↓ est le même. Dans un matériau magnétique, par contre, le nombre d’électrons de spin up et de spin down est différent, c’est justement cette différence qui donne lieu à l’apparition d’un moment magnétique macroscopique non nul. Dans les métaux magnétiques usuels (fer, cobalt, nickel et leurs alliages), les électrons responsables du magnétisme sont les mêmes que les électrons mis en jeu dans le transport électrique. L’asymétrie de spin des porteurs de courant est le premier principe de base de la spintronique.
Dans un métal, le mouvement des électrons est freiné par la diffusion due aux impuretés du réseau, aux défauts (dislocations, joints de grain, …) et aux excitations collectives (phonons, magnons) : c’est l’origine de la résistance électrique. En première approximation, lors des collisions et autres diffusions subies par les électrons lors du passage du courant, la probabilité de diffusion avec retournement du spin est négligeable. En d’autres termes, le spin des électrons est, en première approximation, conservé. On peut donc considérer que les deux espèces électroniques (électrons de spin up et de spin down) conduisent le courant en parallèle : c’est l’approximation de Mott et le deuxième principe de base de la spintronique. Par ailleurs, dans un métal magnétique, le nombre d’électrons étant différent pour les électrons de spin up et de spin down, il s’ensuit que la probabilité de diffusion va être différente selon que le spin des électrons conducteurs du courant est parallèle (up) ou antiparallèle (down). Cette propriété, appelée diffusion dépendant du spin, est le troisième principe de base de la spintronique. Enfin, lorsque le courant est injecté d’un matériau magnétique vers un matériau non magnétique, un désaccord apparaît à l’interface puisque le nombre d’électrons de spin up et de spin down est différent dans le métal magnétique alors qu’il est identique dans le métal non magnétique. Le système doit donc passer d’un état de déséquilibre de spin vers un état d’équilibre, ce qui induit l’apparition d’une zone de transition dans laquelle l’asymétrie de spin décroît progressivement. La faible probabilité de diffusions avec renversement du spin, conduit à une longueur de transition, appelée longueur de diffusion de spin. Cet effet d’accumulation de spin est le quatrième principe de base de la spintronique.
Un métal ferromagnétique comme le fer ou le cobalt, par exemple, est caractérisé par un décalage des bandes d’énergie des électrons des 2 directions de spin, Il en résulte que les électrons de spin majoritaire (spin ↑) et ceux de spin minoritaire (spin ↓) conduisent le courant en parallèle avec des conductivités différentes ; c’est la base générale des effets de l’électronique de spin.
L’une des applications la plus prometteuse repose sur le concept du transistor à spin (Spin-FET, Spin-Field Effect Transistor) décrit théoriquement par Datta et Das. L’idée de Datta et Das consiste à moduler le courant de drain dans un spin-FET non seulement par l’effet de champ classique, mais également par le contrôle par la grille de l’orientation du spin des électrons dans le canal de conduction du transistor. Pour cela, il est tout d’abord nécessaire de polariser l’orientation du spin des électrons injectés en début de canal. C’est le rôle de la source ferromagnétique qui doit injecter préférentiellement des électrons de spin orientés perpendiculairement à l’axe source-drain. Ensuite, on souhaite pouvoir contrôler par la tension de grille la rotation du spin des électrons dans le canal du spin-FET. Or, l’existence d’un terme de couplage spin-orbite à l’interface des structures III-V dépendant du champ électrique perpendiculaire, permet ce type de contrôle. Ce couplage peut induire un mécanisme de précession du spin des électrons modulés par la tension de grille. Enfin, il faut analyser l’orientation du spin des électrons en fin de canal. C’est le rôle du drain ferromagnétique qui doit collecter préférentiellement des électrons à spin orienté perpendiculairement à l’axe sourcedrain.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Généralités sur les semi-conducteurs magnétiques dilués cas du SiC
1. Electronique de spin
1.1.Les Semi-conducteurs magnétiques dilués
1.2.Etat de l’art du carbure de silicium (SiC)
1.3.Cristallographie du SiC
1.4.Propriétés physique du SiC
1.5.Implantation ionique
1.6.Caractérisation des défauts d’implantation
1.7.Evolution de la microstructure avec la température de recuit
1.8.Corrélation entre structures et propriétés magnétiques
1.9.Détermination de la structure des phases par spectrométries Mössbauer
1.10. Théorie sur le magnétisme des nanoparticules
Chapitre 2 : Techniques de caractérisation des échantillons
2.1.La sonde atomique tomographique (SAT)
2.1.1. Principe de base
2.1.2. Spectre de masse à temps de vol
2.1.3. Reconstruction en 3 dimensions (3D)
2.1.4. Détermination du seuil de concentration
2.1.5. Préparation des échantillons
2.2.Spectrométrie Mössbauer
2.2.1. Principe de la technique
2.2.2. Interaction hyperfine
2.2.3. Interaction mono-polaire électrique
2.2.4. Interaction quadrupolaire électrique
2.2.5. Interaction dipolaire magnétique
2.2.6. Dispositif expérimental
Chapitre 3 : Etude structurale des échantillons implantés à 550 °C
3. Mesure par sonde atomique tomographique (SAT)
3.1.Spectre de masse de l’échantillon recuit à 1300 °C
3.1.1. Détermination des paramètres de reconstruction
3.1.2. Morphologie des nanoparticules
3.1.3. Identification des nanoparticules
3.1.4. Composition chimique des nanoparticules de l’échantillon de référence
3.1.4.1.Dimensions des nanoparticules
3.1.4.2.Mesures de la composition de la matrice
3.1.4.3.Mesure de la composition des nanoparticules
3.2.Etude de l’échantillon recuit à 900 °C
3.2.1. Composition des nanoparticules
3.3.Etude de l’échantillon non recuit
3.4.Comparaison entre l’échantillon implanté à 550 °C avec 2 at.% de Fe non recuit et l’échantillon implanté avec 6 at.% de Fe non recuit : Effet de la diminution de la concentration atomique de Fe
Chapitre 4 : Propriétés magnétiques des échantillons implantés à 550 °C avec 2 at.% de Fe
4.1.Spectrométrie Mössbauer
4.1.1. Ajustement des spectres avec une distribution : Etat d’oxydation du Fe dans les échantillons implantés
4.1.2. Echantillons non recuit, recuits à 900 et 1100 °C
4.1.3. Echantillon recuit à 1300 °C
4.1.4. Ajustement des spectres Mössbauer par la méthode de Gunnlaugsson des échantillons implantés sous différentes températures de recuit
4.2.Mesures par magnétométrie SQUID des échantillons implantés à 550 °C
4.3.Vers un modèle magnétique pour la détermination de la température de Curie des atomes de Fe dilués et des nanoparticules
4.4.Effet du traitement thermique sur les échantillons implantés à 380 °C et à 550 °C
4.5.Evolution des fractions Fd, Fs et FeiC en fonction de la température de recuit et d’implantation des échantillons implantés à 550 °C
4.6.Fe dans SiC
Conclusion
