Caractérisation et propriétés structurales

Les pnictures de manganèse sont des matériaux ayant des anisotropies magnétocristallines très élevées (Réf. [1]), ce qui se traduit par un champ magnétique interne permanent très fort à l’intérieur du composé dans sa phase ferromagnétique. La présence de cette anisotropie magnétocristalline fait en sorte que les propriétés magnétiques effectives de la couche dépendent fortement de la texture des agrégats ferromagnétiques [34], [35]. Ceci signifie que l’orientation cristallographique des agrégats (i.e. la texture) modifie fortement l’aimantation de la couche. En général, il est préférable que les agrégats possèdent une orientation cristallographique unique afin de maximiser l’aimantation dans une direction donnée. Par contre, plusieurs études suggèrent que les couches hétérogènes sont généralement fortement texturées [34], [36–39] : les grains adoptent des orientations précises et souvent plusieurs orientations coexistent. Si l’objectif est de maximiser l’orientation cristallographique des grains dans une direction donnée, il faut obtenir une meilleure compréhension des mécanismes qui régissent cette orientation. Pour l’instant, peu d’études ont abordé ce sujet, puisqu’il est techniquement difficile d’obtenir une caractérisation adéquate et précise de la texture. Les techniques de caractérisation conventionnelles utilisées en science des matériaux, telles que la microscopie électronique en transmission et la diffraction des rayons X (haute résolution ou Bragg-Brentano), sont mal adaptées ou tout simplement incapables de décrire les textures complexes présentes dans les couches hétérogènes. Pour pallier cette difficulté, nous avons utilisé une nouvelle technique de diffraction des rayons X mise au point récemment à l’École Polytechnique de Montréal par M. Simon Gaudet [40]. Cette technique, qui permet d’acquérir une vue d’ensemble du réseau réciproque avec grande précision, fournit une caractérisation complète et détaillée de la texture jusqu’alors inégalée. Des explications plus approfondies à ce propos seront données aux chapitres 2 et 3.

Taille, forme, structure cristallographique, contrainte, densité et distribution spatiale des agrégats

Les propriétés structurales, telles que la structure cristallographique, la taille, la forme, la distribution de contraintes élastiques, la densité et la distribution spatiale des agrégats influencent également les propriétés magnétiques de la couche. Par exemple, la taille des agrégats va modifier la coercivité de la couche. En effet, tous les matériaux magnétiques possèdent une dimension critique (à une température donnée) au-dessous de laquelle ils deviennent super paramagnétiques. Au-dessus de cette taille, les particules sont alors des monodomaines magnétiques. L’énergie thermique est alors suffisante pour renverser l’aimantation de façon

cohérente, ce qui se traduit par une contribution à l’aimantation proportionnelle au champ appliqué et donc nulle en absence du champ. En général, cette dimension critique est de l’ordre de quelques nanomètres. Ainsi, si l’on désire obtenir des matériaux ferromagnétiques ayant des coercivités élevées, il faut viser des couches hétérogènes ayant des agrégats d’au moins 20 nm [41]. En ce qui concerne la forme de l’agrégat, elle peut contribuer à l’anisotropie magnétique. La densité et la distribution spatiale des agrégats vont modifier l’aimantation et l’anisotropie magnétique de la couche. Dans certains domaines d’application, l’ajustement de ces différentes propriétés structurales est essentiel afin d’obtenir les propriétés magnétiques désirées. Par exemple, la taille, la forme, la densité et la distribution spatiale des agrégats sont aussi des aspects importants à considérer dans le développement d’application de magnétotransport. En effet, quelques études récentes montrent que la magnétorésistance d’un ensemble d’agrégats est intimement liée à ces aspects structuraux [16], [17]. Ainsi, un des défis dans le domaine de la croissance des couches hétérogènes est de réguler les propriétés structurales des agrégats pendant la croissance épitaxiale.

Nature des agrégats

Évidemment, la nature des agrégats va aussi influencer les propriétés magnétiques des couches hétérogènes. Nous n’avons qu’à penser à la température de Curie, qui dépend principalement de l’alliage magnétique. Lors de la fabrication des couches hétérogènes, on vise à obtenir le composé magnétique ayant la température de Curie la plus élevée. S’il y a présence de plusieurs composés magnétiques, les fonctionnalités magnétiques de la couche vont être inévitablement modifiées. Par conséquent, il est nécessaire d’identifier correctement les alliages présents dans la couche hétérogène. Il faut également cibler les conditions de croissance favorables à la formation du composé magnétique désiré. Cependant, certains facteurs rendent l’identification difficile dans ce type de couches hétérogènes. Le fait qu’une grande quantité de composés peuvent se former entre les atomes de Mn et les éléments III et V, d’une part, et la possibilité que les agrégats soient fortement texturés, d’autre part, limitent l’efficacité des techniques conventionnelles d’identification. Des explications plus approfondies sur ce problème d’identification seront présentées au chapitre 2. Mentionnons pour l’instant que les travaux effectués dans la présente thèse ont permis de résoudre le problème d’identification des agrégats.

L’utilisation de couches hétérogènes pour de futures applications magnétiques requiert également une régulation des aspects structuraux de la matrice. L’intégration de couches hétérogènes dans des dispositifs en couches minces nécessite des interfaces couches/substrat abruptes et des surfaces planes permettant la fabrication d’hétérostructures. De plus, la présence de structures magnétiques dans une couche semi-conductrice permet d’envisager des applications de magnétotransport. Dans de tels cas, il est primordial de minimiser les défauts cristallins, d’obtenir des interfaces agrégat/matrice abruptes et de bien connaître la composition chimique et le dopage de la matrice.