Comparaison avec d’autres techniques exp´erimentales

Il existe d’autres techniques exp´erimentales d’imagerie pour observer les domaines magn´etiques. On peut ainsi citer des dispositifs `a sonde locale comme les MFM (“Magnetic Force Microscope”), SSM (“Scanning SQUID Microscope”) [51], SHPM (“Scanning Hall probe microscope”) [52] . . .Une sonde microm´etrique (SSM, SHPM) ou nanom´etrique (MFM), sensible `a un champ magn´etique, est d´eplac´ee au-dessus de la surface du mat´eriau. La sonde renvoie alors un signal proportion-nel au champ magn´etique local ´emanant du mat´eriau, ce qui permet de dresser une cartographie magn´etique de la surface du mat´eriau.

La r´esolution de ces dispositifs est directement corr´el´ee `a la taille de la sonde. Elle est environ d’une dizaine de nm pour un MFM, 300 nm pour un SHPM et quelques ➭m pour un SSM. De ce

-60 -40 -20 0 20 40 60 S i g n a l K e r r ( u n i t é a r b i t r a i r e ) Champ magnétique (mT)

Fig. 2.8: Cycle d’hyst´er´esis obtenu par effet Kerr. Chaque point du cycle correspond `a une image Kerr dont l’intensit´e a ´et´e moyenn´ee.

point de vue, seul le MFM pr´esente un avantage certain par rapport `a la microscopie Kerr. En fait, le principal attrait des sondes locales r´eside dans leur haute sensibilit´e au champ magn´etique (un SSM est, par exemple, sensible `a un dixi`eme de nT). Elles permettent donc d’´etudier des mat´eriaux tr`es faiblement aimant´es qui ne pr´esenteraient pas une rotation Kerr suffisante pour l’imagerie Kerr. Cependant, les sondes `a balayage poss`edent deux gros inconv´enients : leur lenteur d’acquisition et la surface imag´ee restreinte. En effet, la dur´ee d’acquisition d’une image est typiquement la minute, et peut atteindre le quart d’heure d`es que la surface sond´ee mesure quelques 100➭m × 100 ➭m. `A l’oppos´e, en microscopie Kerr la dur´ee d’acquisition est de quelques secondes, et la taille de la zone observ´ee peut ˆetre modifi´ee de quelques dizaines de ➭m `a environ 1 mm sans modifier la dur´ee d’acquisition. S’ajoute ´egalement le fait que les sondes `a balayages n´ecessitent une surface tr`es propre puisqu’elles la survolent de tr`es pr`es. De plus, il peut se rajouter des complications exp´erimentales lorsqu’il faut associer ces sondes `a balayage avec des techniques de cryog´enie.

Les sondes `a balayages apparaissent donc comme des outils `a utiliser en compl´ementarit´e de l’imagerie Kerr.

Des cycles d’hyst´er´esis peuvent aussi ˆetre obtenus `a partir des mesures de r´esistivit´e ou encore `

a partir de mesure de SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). Un SQUID permet d’enregistrer des cycles d’hyst´er´esis et de mesurer l’aimantation `a saturation M<sub>s</sub>d’un mat´eriau en fonction de la temp´erature, l`a o`u l’imagerie Kerr ne fournit qu’un signal proportionnel `a M_s. D’un autre cˆot´e, un SQUID est sensible `a la totalit´e du mat´eriau, substrat et couches interm´ediaires y compris, et ceci doit donc ˆetre pris en compte dans le traitement des r´esultats obtenus. L’imagerie Kerr, en revanche, n’est sensible qu’`a la surface du mat´eriau. L’imagerie Kerr s’av`ere adapt´ee `a l’´etude de couches ultraminces de moins de 1 nm [53], alors qu’un SQUID serait incapable d’en mesurer l’aimantation, `a cause du volume trop faible de la couche magn´etique. Les mesures de r´esistivit´e permettent d’obtenir des cycles d’hyst´er´esis tr`es facilement avec une acquisition aussi rapide que celle de la microscopie Kerr. Cependant, alors qu’en imagerie Kerr les couches peuvent

ˆetre ´etudi´ees directement, les mesures de r´esistivit´e n´ecessitent de disposer d’un atelier de gravure afin de pr´eparer des croix de Hall.

2.5 Conclusion

Nous venons de voir que l’imagerie Kerr est une technique simple mais efficace qui permet de r´ecolter une multitude d’informations sur les processus de renversement de l’aimantation d’un mat´eriau. Nous allons maintenant mettre `a profit notre dispositif exp´erimental pour ´etudier les domaines magn´etiques dans des couches de GaMnAs `a aimantation perpendiculaire.

Chapitre 3

Structure des domaines magn´etiques

dans GaMnAs `a aimantation

perpendiculaire : effet d’un recuit

Sommaire

3.1 Introduction . . . . 35 3.2 Anisotropie magn´etique . . . . 36 3.3 Topographie de surface . . . . 38 3.4 Structure des domaines magn´etiques . . . . 41 3.4.1 Couches non recuites . . . 41 3.4.2 Couches recuites . . . 44 3.4.3 Interpr´etation qualitative . . . 44 3.4.4 D´efauts . . . 46 3.5 Conclusion . . . . 48

3.1 Introduction

Diff´erentes structures de domaines magn´etiques sont rencontr´ees dans les mat´eriaux ferro-magn´etiques. Pour les grenats par exemple, les domaines sont souvent arrang´es p´eriodiquement et ont des formes de bulles ou de lamelles [42] ; pour les m´etaux ce sont habituellement les d´efauts structuraux qui contrˆolent la forme des domaines et leur arrangement [43] [54].

Pour GaMnAs peu d’´etudes ont ´et´e men´ees sur la structure des domaines magn´etiques et les processus de retournement de l’aimantation. Nous avons vu au chapitre 1 qu’un recuit modifiait la temp´erature de Curie et la densit´e de porteurs. Quel est son effet sur l’organisation en domaines ? Les structures en domaines sont-elles auto-organis´ees ou contrˆol´ees par l’ancrage ?

Les premi`eres ´etudes de la formation des domaines dans GaMnAs ont ´et´e r´ealis´ees en 2000 sur des couches `a aimantation perpendiculaire [55] et en 2003 sur des couches `a aimantation pla-naire [50]. Dans les couches `a aimantation planaire, la taille des domaines magn´etiques s’´etend de quelques microm`etres `a quelques millim`etres [56] [50]. L’´etude de l’effet d’un recuit sur la struc-ture des domaines magn´etiques a montr´e qu’apr`es recuit la taille des domaines magn´etiques est augment´ee [56]. Dans des couches `a aimantation perpendiculaire, des domaines magn´etiques de

plusieurs centaines de➭m ont ´et´e observ´es [35]. En revanche aucune ´etude de l’effet d’un recuit sur les domaines magn´etiques n’a ´et´e effectu´ee pour de telles couches.

Ce chapitre est donc consacr´e `a l’´etude des processus de retournement de l’aimantation dans des couches minces de GaMnAs `a aimantation perpendiculaire et des modifications apport´ees par un recuit. Dans une premi`ere partie nous pr´esenterons des cycles d’hyst´er´esis qui nous permettront de d´eterminer le type d’anisotropie des couches (aimantation planaire ou perpendiculaire) et les champ coercitifs. Nous compl´eterons la caract´erisation des couches par des mesures de microscopie `a force atomique qui nous fourniront la topographie de surface des couches. Dans une seconde partie, nous utiliserons les images Kerr pour d´ecrire en d´etail les diff´erentes ´etapes du retournement de l’aimantation des couches non recuites et recuites. Nous montrerons alors que le recuit induit un renforcement de l’anisotropie uniaxiale et rend l’expansion des domaines isotrope. Nous terminerons en montrant que le retournement de l’aimantation est enti`erement contrˆol´e par diff´erents types de d´efauts que nous caract´eriserons.