Ecole Doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE

Ecole Doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
Directeur de thèse : Lionel Calmels (Professeur, Université Paul Sabatier)
Co-encadrant : Jean-François Bobo (Directeur de recherche, CNRS)
Correspondant/Contact :
Calmels
Lionel
[email protected]
0562257879
Titre en français :
Structure électronique, anisotropie magnétique et propriétés magnétoélectriques de couches minces
d’alliages d’Heusler pour la spintronique
Titre en anglais :
Electronic structure, magnetic anisotropy and magnetoelectric properties of thin Heusler alloy layers for
spintronic applications
Mots clés éventuels en français:
structure électronique, calculs ab-initio, théorie de la fonctionnelle de la densité, couches minces
magnétiques, anisotropie magnétocristalline, physique des interfaces, couplage magnéto-électrique,
spintronique
Mots clés en anglais
Electronic structure, first principles calculations, density functional theory, thin magnetic layers,
magnetocrystalline anisotropy, physics of interfaces, magnetoelectric coupling, spintronics
Type Financement (MESR, ANR, etc. Acquis ou demandé)
MESR Acquis
Date de début de la thèse:
Octobre 2013
Profil candidat:
Le candidat doit avoir une formation en physique, nanophysique, ou sciences des matériaux.
Présentation détaillée en français
Les composants de base de la spintronique sont constitués d’électrodes magnétiques séparées par de
fines couches non magnétiques, métalliques ou isolantes. Ces multicouches permettent de stocker puis de
lire un bit d’information : leur résistance électrique dépend en effet de l’orientation relative (parallèles ou
antiparallèles) de l’aimantation des deux électrodes. Les propriétés magnétiques et de magnétotransport de
ces composants dépendent fortement de la nature des matériaux qui les constituent. On doit par exemple
choisir un matériau d’électrodes possédant une forte polarisation en spin au niveau de Fermi et une
température de Curie élevée pour obtenir des effets magnétorésitifs importants à température ambiante. La
structure atomique et les états électroniques au voisinage des interfaces entre les électrodes et la couche non
magnétique sont déterminants, puisque c’est au niveau de ces interfaces que s’effectue le raccordement des
fonctions d’onde électroniques entre les couches. Les interfaces sont également susceptibles de modifier les
propriétés d’anisotropie magnétique des électrodes et un choix judicieux des matériaux et de l’épaisseur des
couches permet de concevoir des composants dont on peut choisir la direction de l’aimantation,
perpendiculaire ou parallèle aux interfaces. Le contrôle de l’anisotropie magnétique des électrodes
représente un enjeu très important pour les applications en spintronique.
Des calculs quantiques à l’échelle atomique sont indispensables pour comprendre le comportement
physique de ces composants. C’est dans le cadre de ces calculs ab-initio que l’on peut correctement décrire
les états électroniques participant au transport, ainsi que la modification de ces états au voisinage des
interfaces. Les calculs ab-initio permettent également de prévoir et d’analyser les propriétés d’anisotropie
magnétique des électrodes magnétiques.
Cette thèse portera sur le calcul de la structure électronique et des propriétés magnétiques de
couches minces d’alliages d’Heusler, composés de formule chimique X2YZ, où X et Y sont des métaux de
transition (Mn, Fe, Co) et Z un élément léger (Al, Si, Ga). La grande originalité des ces alliages
ferromagnétiques dont la température de Curie est très élevée, est due à leur demi-métallicité : ces cristaux
sont conducteurs pour les électrons de spin majoritaire et isolants pour les électrons de spin minoritaire, ce
qui correspond à une polarisation en spin de 100% au niveau de Fermi. Ces alliages peuvent donc être
utilisés comme matériaux d’électrodes dans des vannes de spin ou des jonctions tunnel aux propriétés de
magnéto-transport exceptionnelles. La thèse portera sur l’étude théorique des interfaces X2YZ/MgO(001),
X2YZ/Cr(001), X2YZ/Ag(001) et X2YZ/Pt(001), susceptibles de jouer un rôle important dans ces
composants pour la spintronique. Il s’agira de comprendre comment ces interfaces modifient la structure
électronique, les moments magnétiques et l’anisotropie magnétique des couches minces d’alliages
d’Heusler. Les modifications d’anisotropie magnétique induites dans ces couches par le désordre d’alliage
(X2YZ peut présenter une structure cristalline L21 parfaitement ordonnée, B2 partiellement ordonnée ou A2
totalement désordonnée) seront également étudiées. Ces calculs quantiques permettront de guider le choix
des alliages d’Heusler et des interfaces permettant d’obtenir des multicouches aux propriétés physiques
requises. La thèse portera également sur le calcul ab-initio des propriétés magnétoélectriques des couches
minces d’alliages d’Heulser ; il s’agira dans ce cas de déterminer si l’application d’un champ électrique
perpendiculaire aux couches permet de modifier et de contrôler leur anisotropie magnétique, ce qui serait
très important pour les applications.
Le travail de thèse se déroulera au sein de l’équipe « NanoMatériaux Magnétiques » du groupe
« NanoMatériaux ». Cette équipe a une bonne expérience du calcul de la structure électronique des couches
magnétiques [1-9] ainsi que de l’anisotropie magnétique de ces matériaux [10]. Les résultats théoriques
obtenus dans le cadre de cette thèse permettront d’interpréter les mesures magnétiques effectuées dans
l’équipe sur des couches minces d’alliages d’Heusler [11,12]. Il s’agira en particulier de comprendre
comment on peut modifier les propriétés magnétiques dynamiques de ces couches en changeant, via les
interfaces et le désordre d’alliage, leur anisotropie magnétique.
Présentation détaillée en anglais
The multilayers used in spintronic devices usually contain magnetic electrodes separated by a thin
(metallic or insulating) non-magnetic layer. They can be used to write and read magnetic information, their
electric resistance depending on the magnetic configuration of the electrodes, with either parallel or
antiparallel magnetizations. The magnetic and magnetotransport properties of these devices strongly
depend on the materials which have been chosen for the electrodes and for the non-magnetic spacer.
Magnetic metals with a high spin polarization at the Fermi level and a high Curie temperature should in
particular be used to reach important magnetoresistive effects at room temperature. The electronic structure
and the electron states in the vicinity of the interfaces between the magnetic electrodes and the nonmagnetic spacer must also be known since the wave function matching between the different thin layers
precisely occurs at these interfaces. Interfaces may also modify the magnetic anisotropy properties of the
electrodes: the materials and layer thickness must be chosen judiciously to get devices in which the
direction of the magnetization, either parallel or perpendicular to the interfaces, is perfectly controlled. This
control of the magnetic anisotropy is actually very important for spintronic applications.
Quantum calculations performed at the atomic scale must be used to understand the physical
behavior of magnetic multilayers. These first-principles calculations are essential to get reliable information
on the electron states which are responsible for the magnetotransport properties and on the modification of
the electronic structure in the atomic layers close to the interfaces. Ab initio calculations can also be used to
foresee and analyze the magnetic anisotropy properties of the electrodes.
The thesis will consist in calculating the electronic structure and the magnetic properties of thin full
Heusler alloy layers. These magnetic crystals are described by the formula X2YZ, where X and Y are
transition metals (Mn, Fe, Co) et Z a light element (Al, Si, Ga). The most important characteristics of these
ferromagnetic compounds are their very high Curie temperature and their half-metallicity: these crystals
show a 100% spin polarization at the Fermi level, they are metallic for majority spin and insulating for
minority spin electrons. Heusler alloys can further be used as electrode materials in spin valves or magnetic
tunnel junctions with exceptionally high magnetoresistance values. An important part of the thesis will
consist in the theoretical study of the X2YZ/MgO(001), X2YZ/Cr(001), X2YZ/Ag(001) and X2YZ/Pt(001)
interfaces which may play a very important role in Heusler alloy-based spintronic devices. The aim of the
first principles calculations will be to understand how interfaces modify the electronic structure, the
magnetic moments and the magnetic anisotropy of thin Heusler alloy layers. The modification of the
magnetic anisotropy induced in the layer by alloy disorder (X2YZ can possess a perfectly ordered L21, a
partly ordered B2 or a disordered A2 crystal structure) will also be studied. These calculations will be a
guide for experimentalists who want to choose the Heusler alloys and the interfaces in order to get devices
with the required physical properties. The thesis will also consist in calculating the magnetoelectric
properties of thin Heusler alloy layers, with the aim of understanding if an external electric field applied
perpendicular to the layers can be used to modify and control their magnetic anisotropy, which would be
very interesting for applications.
The Phd student will work in the “Magnetic Nanomaterials” team of the “Nanomaterials” research
group of the CEMES. This team has a great experience for calculating the electronic structure [1-9] and the
magnetic anisotropy [10] of thin magnetic layers. The theoretical results obtained during the thesis will
allow to interpret the experimental measurements done within the team on thin Heusler alloy layers [11,12].
In particular, the calculations will be very usefull for understanding how the dynamical magnetic properties
of Heusler alloy layers can be changed by modifying their magnetic anisotropy with interfaces or alloy
disorder.
Domaine scientifique
Physique, nanophysique
Références bibliographiques
[1] F. Bonell, T. Hauet, S. Andrieu, F. Bertyran, P. Le Fevre, L. Calmels, A. Tejeda, F. Montaigne, B. WarotFonrose, B. Belhadji, A. Nicolaou, and A. Taleb-Ibrahimi, Phys. Rev. Lett. 108, 176602 (2012).
[2] M. Gottwald, S. Andrieu, F. Gimbert, E. Shipton, L. Calmels, C. Magen, E. Snoeck, M. Liberati, T.
Hauet, E. Arenholz, S. Magin, and E. E. Fullerton, Phys. Rev. B 86, 014425 (2012).
[3] R. Arras, L. Calmels, and B. Warot-Fonrose, Appl. Phys. Lett. 100, 032403 (2012).
[4] B. Belhadji and L. Calmels, Phys. Rev. B 83, 092401 (2011).
[5] F. Gimbert, L. Calmels, and S. Andrieu, Phys. Rev. B 84, 094432 (2011).
[6] F. Gimbert and L. Calmels, J. Appl. Phys. 109, 07C109 (2011).
[7] R. Arras, L. Calmels, and B. Warot-Fonrose, Phys. Rev. B 81, 104422 (2010).
[8] R. Arras, L. Calmels, and B. Warot-Fonrose, IEEE Trans. Mag. 46, 1730 (2010).
[9] B. Belhadji and L. Calmels, J. Appl. Phys. 107, 09C713 (2010).
[10] F. Gimbert and L. Calmels, Phys. Rev. B 86, 184407 (2012).
[11] G. Ortiz, A. García-García, N. Biziere, F. Boust, J. F. Bobo, and E. Snoeck , J. Appl. Phys. 113, 043921
(2013).
[12] G. Ortiz, M. S. Gabor, T. Petrisor, F. Boust, F. Isaac, C. Tiusan, M. Hehn, and J. F. Bobo, J. Appl. Phys.
109, 07D324 (2011).