Les matériaux magnétoélectriques sont particulièrement prometteurs mais rares Les matériaux magnétoélectriques, grâce au couplage existant entre leurs propriétés magnétiques et électriques, permettent d’envisager la manipulation de l’aimantation par un champ électrique. De tels matériaux reçoivent actuellement un regain d’intérêt considérable car ils ouvrent de nouvelles perspectives en termes de mémoires. En effet, une mémoire magnétoélectrique combinerait le meilleur des deux mondes des MRAMs et FeRAMs. Actuellement, le développement des mémoires magnétoélectriques est limité par la rareté des matériaux magnétoélectriques, aggravée par la rareté des matériaux magnétoélectriques présentant un ordre magnétique à température ambiante.
Le ferrite de gallium comme alternative à l’omniprésent BFO
La manipulation de l’aimantation a récemment été réalisée expérimentalement à température ambiante à l’aide d’un antiferromagnétique ferroélectrique, BiFeO3 (BFO). C’est le seul matériau considéré jusqu’à présent dans la littérature à présenter à la fois un couplage magnétoélectrique et un ordre magnétique à température ambiante. Cependant, comme cet ordre magnétique est antiferromagnétique, l’utilisation concrète de BFO nécessite de le coupler magnétiquement à une couche supplémentaire. Cela rend la fabrication des dispositifs plus compliquée et plus sujette à des défauts. Il est donc essentiel de faire un effort de recherche conséquent afin de trouver des matériaux magnétoélectriques présentant une aimantation non nulle à température ambiante. C’est avec cet objectif en tête que nous nous sommes intéressés au ferrite de gallium Ga2-xFexO3 (0.8 < x < 1.4) (GFO). C’est en effet une parfaite alternative au BFO dans les mémoires magnétoélectriques : c’est un pyroélectrique ferrimagnétique au dessus de la température ambiante pour x=1.4, présentant un fort couplage magnétoélectrique.
Figure 1 : Structure cristallographique de GFO – Directions de la polarisation électrique (P) et de l’aimantation (M). GFO adopte une structure orthorhombique, groupe d’espace Pc21n avec a = 0.87512 ± 0.00008 nm, b = 0.93993 ± 0.00003 nm et c = 0.50806 ± 0.00002 nm. Les ions Ga3+ et Fe3+ sont distribués sur 4 types de sites nommés Fe1, Fe2, Ga1 et Ga2.
Alors que ses propriétés à l’état massif sont clairement établies, le GFO a été très peu étudié sous forme de couches minces. Deux points étaient en particulier à élucider : 1. La possibilité d’obtenir, comme en massif, des films ferrimagnétique à température ambiante en modulant le rapport Ga/Fe 2. : La possibilité d’obtenir des dépôts de haute qualité cristalline sur électrode conductrice Cette dernière question conditionne l’utilisation réelle de GFO dans des dispositifs magnétoélectriques. Nous avons étudié les deux points et avons déposé des films de GFO ferrimagnétiques à température ambiante sur des électrodes conductrices de Pt(111) par alblation laser pulsée (PLD).
Croissance de films minces de Ga2-xFexO3 : films ferrimagnétiques à température ambiante
Nous avons mis au point les conditions de croissance de films minces de GFO par PLD et obtenu des films de Ga2-xFexO3 parfaitement orientés selon l’axe b sur des substrats de zircone yttriée (YSZ) (001) pour des valeurs de x comprises entre 0.8 et 1.4. Les films présentent une forte anisotropie magnétique. La direction hors du plan (axe b du GFO) est une direction dure d’aimantation. La température de Curie augmente avec x, comme pour le bulk, et une valeur supérieure à la température ambiante est obtenue pour x=1.4 (TC = 370 K). Dans le plan, le champ coercitif atteint la valeur relativement élevée de 3200 Oe à 5 K. Un cycle d’hystérèse est encore observé à température ambiante pour l’échantillon x=1.4, comme le laissait prévoir sa TC de 370 K. L’aimantation à saturation est de 90 emu/cm3 et son champ coercitif d’environ 600 Oe à 300 K.
Figure 2 : (Haut) Variation de l’aimantation avec la température pour des films de Ga2-xFexO3 avec 0.8<x0.6Fe1.4O3 à 5 et 300 K (mesures dans le plan)</x
Croissance de GFO sur une électrode conductrice : vers de possibles applications magnétoélectriques
La croissance parfaitement orientée selon l’axe b de films de GFO de haute qualité cristalline a été obtenue sur deux types d’électrodes conductrices : ITO (001) sur YSZ (001) et Pt (111) sur YSZ (111). Les films déposés sur électrode monocristalline de Pt(111)/YSZ(111) montrent une excellente cristallinité et le nombre de variants dans le plan est réduit de 6 à 3. Les courants de fuite mesurés sur cette électrode sont réduits de 4 ordres de grandeur par rapport à ceux mesurés sur électrode d’ITO. Nous avons montré qu’il était possible de faire croître des films ferrimagnétiques du prometteur magnétoélectrique Ga2-xFexO3 sur électrode conductrice. Les films sont parfaitement orientés (0k0) et présentent une faible rugosité. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour l’intégration d’un magnétoélectrique ferrimagnétique à température ambiante dans des dispositifs d’électronique de spin.
Plus d’informations dans :
« Room temperature ferrimagnetic thin films of the magnetoelectric Ga2-xFexO3 »
M. Trassin, N. Viart, G. Versini, S. Barre, G. Pourroy, J. Lee, W. Jo, K. Dumesnil, C. Dufour, and S. Robert
Journal Of Materials Chemistry, 19 (2009) 8876
