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Résumé :
Le développement moderne des technologies de l’information, telles que les mémoires et les opérations logiques, exige des technologies plus rapides, plus denses, non volatiles et à faible consommation d’énergie. Cela a donné lieu à des recherches importantes dans le domaine de la spintronique, ou de l’électronique de spin, qui repose sur l’idée d’exploiter les degrés de liberté de charge et de spin de l’électron. Les oxydes ferrimagnétiques, en particulier les grenats de fer des terres rares (ReIG), sont au coeur de ce domaine. Ces matériaux présentent un grand potentiel d’utilisation dans les dispositifs magnétiques à base d’isolant qui génèrent des courants de spin purs. Les ReIG présentent des propriétés magnétiques uniques qui en font des candidats prometteurs pour les applications spintroniques à base d’isolant, notamment la stabilisation des skyrmions et la propagation des ondes de spin. Ces applications nécessitent toutefois la fabrication de films de grenat d’une épaisseur de l’ordre du nanomètre.
Dans ce travail, nous avons optimisé la fabrication de films minces épitaxiés de ReIG, en particulier de YIG et de TmIG à magnétisation perpendiculaire, par une technique de pulvérisation à radiofréquence et un post-recuit, ce qui a permis d’obtenir des films ultraminces épitaxiés de haute qualité d’une épaisseur de 3 nm. La structure hétéroépitaxiale et la qualité cristalline des films fabriqués ont été confirmées par des mesures aux rayons X. Les mesures in situ des ReIG pendant le processus de recuit ont également été effectuées, ce qui nous a permis de déterminer la dynamique de cristallisation séparée en deux phases simultanées : la cristallisation du grenat et la diffusion. Il a été déterminé que la phase de cristallisation des ReIGs n’est pas linéaire, et la modélisation du processus à l’aide de l’approche Johnson-Mehl- Avrami-Kolmogorov (JMAK) a été développée, avec la correction du processus de diffusion du substrat vers la couche de grenat.
Les propriétés magnétiques des ReIG ont été étudiées et, afin de les optimiser pour stabiliser des textures magnétiques plus petites telles que des domaines en bandes ou des bulles, plusieurs manières de réduire l’anisotropie effective ont été étudiées. Deux d’entre elles, à savoir l’optimisation des paramètres de recuit et la fabrication de bicouches YIG/TmIG avec différents axes d’aimantation facile, se sont avérées très efficaces. Cela nous a permis d’ajuster l’anisotropie effective pour stabiliser les domaines en bandes et les bulles magnétiques à la rémanence. Les études de la dynamique de l’aimantation du ReIG ont montré que ses propriétés dépendent fortement de la composition du grenat et, par conséquent, du processus de fabrication et des conditions de la procédure de recuit. Un optimum de ces contraintes a été trouvé permettant de préserver le faible amortissement des ReIGs.
Les études synchrotron des ReIG ont démontré la différence de composition du grenat entre la couche à l’interface et la surface et ont confirmé la présence d’une couche non magnétique, créée par la diffusion du substrat dans la couche de grenat. Cet effet a été observé pendant les études de cristallisation, et l’épaisseur approximative de cette couche ≈ 2 nm a été déterminée à partir de mesures de rayons X durs et mous.
