Les échantillons sont préparés par épitaxie par jets moléculaires dans un bâti MBE RI-BER. Ce bâti comporte quatre chambres distinctes pouvant être isolées individuellement (gure 4.2). Une chambre d'introduction/sortie des échantillons. Une chambre d'analyse chimique dans laquelle se trouvent les matériels de spectroscopie Auger et X, un sys-tème de bombardement ionique (donnant un faisceau de taille micrométrique) et un porte échantillon équipé d'un four permettant de chauer jusqu'à 1240 K. Il est aussi possible dans cette chambre d'imposer une atmosphère gazeuse particulière grâce à la présence d'une vanne de fuite. La chambre des dépôts est équipée de 5 cellules d'évaporation dont une cellule "load-lock" et de deux canons à bombardement électronique. Les matériaux, ainsi que leur mode d'évaporation, sont résumés dans le tableau (4.1). Cette enceinte est entourée de panneaux cryogéniques qui se remplissent à l'azote. Le vide limite que l'on
peut atteindre est de l'ordre de 3.10−11 hPa. Un suivi RHEED, au cours du dépôt, avec
enregistrement du prol d'intensité par caméra CCD est possible. Enn, la chambre de microscopie est équipée d'un microscope tunnel de type OMICRON.
Fig. 4.2: Photographie du bâti d'élaboration et d'analyse utilisé au cours de ce travail de thèse. Ce bâti comprend quatre chambres distinctes.
Nous avons regroupé les matériaux et leur méthode d'évaporation dans le tableau TAB.(4.1).
Ni Mn Sb Fe Co
Moyen d'évaporation cellule cellule cellule cellule cellule
Température 1560 K 1035 K 635 K 1495 K 1720 K
V MgO
canon canon
x x
Tab. 4.1: Récapitulatif des matériaux disponibles dans le bâti et de leur moyen d'évaporation, en cellule de Knudsen ou par canon à électrons.
Préparation du substrat
Pour tous les échantillons réalisés au cours de ce travail, le même type de substrat a été employé. Les substrats disponibles au laboratoire sont des substrats monocristallins de MgO(001) de taille 2 cm x 2 cm. Pour le genre d'études qui suit, nous avons utilisé des morceaux de substrats de taille 1 cm x 1 cm après clivage du substrat "mère". Ces dimensions sont largement susantes pour les études spectroscopiques. Par ailleurs, plus l'échantillon est grand, plus les risques d'inhomogénéités lors des dépôts et des recuits sont importants. Nous verrons cependant que, pour la fabrication de plaquettes de jonc-tions tunnel, une grande surface est indispensable pour augmenter le nombre de joncjonc-tions (amélioration de la statistique). Le substrat est nettoyé ex situ : il est plongé dans trois bains successifs de 5 min contenant du trichloréthylène, de l'acétone et enn de l'alcool. Le but de ces bains est d'éliminer tout type de graisse ayant pu être déposée lors de la manipulation du substrat. Il est ensuite séché à l'azote sec. Juste après ce nettoyage, il est introduit dans l'enceinte ultra-vide où il subit un dégazage à température élevée, typique-ment de 1210 K à 1240 K pendant une vingtaine de minutes. Ce dégazage sert à éliminer
les gaz résiduels adsorbés à la surface tels que CO, CO2, N H4 ou encore H2O. Il sert
également à extraire le carbone contenu en volume dans le monocristal. Nous reviendrons plus en détail sur ce dernier point.
Couche tampon
Une des contraintes imposées est la continuité des lms de quelques plans monoato-miques d'épaisseur. L'idéal du point de vue croissance est d'obtenir ces lms par une croissance couche par couche, ce qui assure la continuité du lm ainsi qu'un contrôle de l'épaisseur déposée. Or, la croissance des métaux sur les oxydes est en général de type
Volmer-Weber du fait de la grande diérence d'énergie de surface. C'est ce que nous vé-rions expérimentalement pour chaque métal de transition étudié sur MgO(100). Pour palier à cela, nous utilisons une couche tampon lissée qui prépare à la croissance couche par couche. Nous utilisons des couches de Fe ou de V d'épaisseurs respectives 50 nm et 100 nm. Ces matériaux sont choisis car ils montrent un désaccord paramètrique faible pour les diérentes combinaisons de bicouches possibles (V/Fe, Fe/Co, V/Co...) comme le montre le tableau 4.3. De plus, tous ces éléments font partie de la première série des métaux de transition et présentent donc des caractéristiques physiques similaires. Les énergies de surface sont donc très proches. Ceci laisse présager un type de croissance 2D pour le dépôt de métal de transition sur ces couches. Ces matériaux déposés sur MgO présentent une structure cristallographique cc (100). Les relations d'épitaxie sont les suivantes : Fe (001) [110] // MgO (001) [100] et V (001) [110] // MgO (001) [100].
Matériau Fe V Co NiMnSb MgO Mn
paramètre dans le plan (Å) 2.87 3.03 2.76 à 2.81 2.51 5.91 4.21 2.97
phase cc cc tc hc C1b NaCl ct2
Références [9092] [93]
Tab. 4.2: Tableau récapitulant les paramètres de maille dans le plan des matériaux utilisés au cours de ce travail.
Matériaux V/Fe Co/Fe Fe/MgO V/Co V/NiMnSb
désaccord paramétrique 5.6% -2.1% à -3.8% -3.6% 9.8% à 7.8% 2.5%
Tab. 4.3: Tableau récapitulant les désaccords paramétriques pour diérentes bicouches. Pour le dépôt d'un matériau A sur un matériau B (A/B), le désaccord est déni comme : (aA-aB)/aB.
La préparation des couches tampons se fait de la façon suivante : le Fe est sublimé par cellule de Knudsen à 1500 K, ce qui correspond à une vitesse de dépôt de 1.8 nm/min. Le V est déposé par bombardement électronique à une vitesse de 1 Å/s. Les couches dé-posées àl'ambiante sont ensuite recuites à 770 K et 1020 K respectivement. La nature et la quantité des polluants à la surface avant et après recuit sont veriées par AES et XPS. Du C à la surface est clairement identié après recuit. Il faut donc déterminer son origine et trouver une façon de l'éliminer. Une observation importante est que, si avant recuit on observe aucun autre élément que le Fe ou le V ni en XPS ni en Auger, une contamina-tion en carbone est observée après recuit. Ceci laisse à penser soit à une adsorpcontamina-tion de gaz contenant du C à la surface provenant de l'enceinte, soit à une remontée du C du volume. La première hypothèse semble peu probable étant données les faibles pressions
dépôt se font dans deux chambres séparées. On peut donc supposer que la source de C est le substrat de MgO lui-même. Dans cette hypothèse et an de bloquer la migration de ce C contenu à la surface du substrat, nous déposons une couche de 10 nm de MgO à 1070 K environ sur celui-ci avant de commencer quelque dépôt que ce soit. Cette barrière à la diusion montre son ecacité. En eet, aucune trace de C n'est visible avant et après recuit des couches tampons ni en XPS ni en AES.
La température de recuit des couches tampons a fait l'objet d'une étude minutieuse. L'idée est de préparer des surfaces avec de larges terrasses atomiques et une faible rugosité. Plus la température de recuit est élevée (ou plus le recuit est long), plus la surface va être lissée (taille des terrasses plus grande). Le suivi du recuit est eectué en RHEED et on observe une réduction de la hauteur et de la largeur des raies, signes de l'amélioration de la qualité de la surface pour Fe et V. Cependant, dans le cas de la couche tampon de V, à forte température de recuit, c'est à dire au delà de 1020 K, une reconstruction de surface apparaît dont l'origine est la contamination chimique par adsorption d'oxygène [38]. Cette contamination est conrmée par les analyses XPS et AES. Dans le cas du Fe, aucune reconstruction de surface n'est observée. Par contre, pour une température de recuit supérieure à 870 K, le spectre XPS présente l'apparition du pic 1s du Mg. Nous pouvons en déduire que la couche de Fe a démouillé. En d'autres termes, la couche n'est plus continue, elle est constituée de gros îlots laissant apparaître par endroit le substrat. Par conséquent, la température de recuit est choisie de telle sorte que la couche soit lissée mais continue et propre chimiquement.
Fig. 4.3: Illustration de la qualité de la couche épaisse de MgO(001)/Fe(001). (a) image STM de 200×200nm2 et (b) Clichés RHEED obtenus à l'ambiante dans l'azimut [10] et [11] après recuit à 820 K]
Les clichés RHEED de la gure 4.3 attestent de la qualité de la couche tampon recuite. L'image correspondante dans le réseau direct obtenue par microscopie tunnel montre une couche de Fe avec de larges terrasses. Quatre niveaux sont présents ce qui signie que la diérence de hauteur entre la couche la plus basse et la couche la plus élevée est de 4 monocouches. La hauteur d'une marche est de une monocouche. La présence de quelques dislocations induites par le désaccord paramétrique entre MgO et Fe entraîne l'existence de marches de hauteur 2 monocouches. Cette qualité de surface est plus que satisfaisante pour nos objectifs. De la même façon, les clichés RHEED d'une couche tampon de V sont représentés g. 4.4. L'absence de raies de surstructure (et notamment en position 1/2 selon la direction[21]) indique une surface propre sans oxygène [38,94].
Fig. 4.4: Clichés RHEED obtenus à l'ambiante sur une couche épaisse de V(100) ayant subi un recuit à 1020 K pour les azimuts [10], [11] et [21]. L'absence de surstructure notamment en 1/2 selon [21] indique une surface sans oxygène.