Effets de TMR

Une fois les interactions entre une surface ferromagnétique et un dépôt moléculaire rationnalisées via le modèle de la spinterface87,92, les travaux de la communauté sont entrés dans une seconde période durant laquelle les chercheurs ont essayé de moduler les effets à l’interface pour jouer sur le signe et la valeur de la magnétorésistance. Pour ce faire, deux approches sont possibles : on peut faire varier d’une part la nature du dépôt organique, d’autre part la nature des matériaux constituant les électrodes. Nous présenterons un exemple représentatif de ces deux approches.

Pour illustrer la première approche, nous pouvons présenter les travaux de Barraud et al.87, qui ont réalisé deux types de jonctions : LSMO/Alq3/Co et Co/CoPc/Co où CoPc désigne une phtalocyanine de cobalt. En utilisant différents couplages métal-molécule aux interfaces, les auteurs ont pu observer les cas d’inversion et d’augmentation des polarisations en spin des électrodes, et ce directement à partir de mesures de magnétorésistance. Les mesures issues des deux types de dispositifs sont présentées en Figure 1.26, ainsi que les représentations schématiques des échanges à l’interface.

Figure 1.26 : Magnétorésistance en fonction du champ magnétique pour deux types de jonctions. A gauche, une jonction LSMO/Alq3/Co présentant une forte magnétorésistance positive. A droite, une jonction Co/CoPc/Co

présentant une magnétorésistance négative. Reproduit de 22,89.

Sur la courbe de gauche, on peut observer un signal de magnétorésistance atteignant 300%, qui selon le modèle de Jullière ne peut pas provenir des polarisations en spin du LSMO et du cobalt. Comme la polarisation en spin du LSMO est intrinsèquement proche de 100%, la forte amplitude de la TMR est attribuée à une augmentation de la polarisation en spin à l’interface Alq3/Co de l’ordre de 30%, résultant en une polarisation effective de 60%. Sur la courbe de droite, on observe à l’inverse un signal de magnétorésistance négative, alors même que le modèle de Jullière prévoit qu’avec deux électrodes de même polarisation, le signe de la magnétorésistance doit être positif. Si la magnétorésistance est négative, c’est donc que la polarisation en spin s’est inversée à une interface Co/CoPc, et seulement à une seule interface.

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La seconde approche qui consiste à moduler les interactions à l’interface par le choix des électrodes est celle qui a été utilisée par Bedoya-Pinto et al.93. Ceux-ci ont réalisé des jonctions comprenant une couche de 8nm de Na[Dy(5,7Cl2q)4] où 5,7Cl2q est l’abréviation de 5,7-dichloro-8-hydroxiquinolate, avec des électrodes de cobalt et de permalloy NiFe. Ils se sont aperçus que la nature de l’électrode supérieure avait une influence directe sur le signe de la magnétorésistance, comme représenté sur la Figure 1.27.

Figure 1.27 : Courbes de magnétorésistance de jonctions à base de NaDyClq. A gauche, l’électrode inférieure est en cobalt et la supérieure en permalloy, à droite les électrodes sont inversées. La couche d’alumine sert à découpler la

couche organique de l’interface inférieure pour ne sonder que les interactions associées à l’interface supérieure.

Reproduit de 93.

On se rend compte sur cette figure qu’une simple inversion des électrodes du dispositif a conduit à un changement notable du signe et de la valeur de la MR. Lorsque l’électrode supérieure est en cobalt, on mesure une magnétorésistance de signe positif. Lorsque cette électrode est remplacée par du permalloy, on assiste à une inversion du signe de la TMR. Les auteurs attribuent ces différences à des propriétés d’hybridation différentes entre les molécules et ces deux matériaux, conduisant dans le cas du permalloy à une inversion de la polarisation en spin et donc de la MR, ce qui n’intervient pas dans le cas du cobalt.

Nous avons voulu montrer ici, à travers le choix des matériaux constituant les dispositifs, deux exemples de modulation des propriétés de transport dépendant du spin. Si le choix en matière d’électrodes ferromagnétiques est quelque peu limité, ce n’est pas le cas des composés organiques qui offrent des possibilités virtuellement infinies en termes de structures chimique et électronique. Si ce type d’étude est encore tout à fait d’actualité, Cinchetti et al.94 estiment dans leur revue qu’une nouvelle phase d’évolution de la spintronique moléculaire devrait voir le jour prochainement. Dans cette nouvelle période, ce sont les propriétés actives de certaines molécules (voir partie 1.1.1) qui seraient mises à contribution pour modifier par des stimuli extérieurs les couplages aux interfaces : cela permettrait à terme de moduler la magnétorésistance à l’aide d’irradiations lumineuses, de changements de température, de champs électriques… Cela constituerait un réel accomplissement puisqu’on utiliserait des composés organiques non plus pour reproduire des systèmes inorganiques, mais bien pour mettre à profit les propriétés uniques de commutation de certaines molécules.

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Une étude très intéressante réalisée dans ce sens est celle de Sun et al.95 sur des jonctions Co/F16CuPc/NiFe, où F16CuPc représente une phtalocyanine de cuivre pour laquelle les atomes d’hydrogène ont été remplacés par du fluor. Ce semiconducteur de type n est connu pour avoir une très bonne photoréponse aux irradiations par de la lumière visible. Les auteurs ont pu modifier la conduction du dispositif en faisant varier le champ magnétique et la lumière, obtenant ainsi des systèmes à 4 états de résistance, visibles sur la Figure 1.28.

Figure 1.28 : Résultats obtenus sur des jonctions Cobalt/F16CuPc/NiFe à 295K. En haut, courbe de magnétorésistance où l’on peut voir les résistances associées aux aimantations parallèle et antiparallèle, ainsi qu’un

état de résistance basse sous irradiation lumineuse. En bas, courant en fonction du temps dans le dispositif, en

fonction de la lumière et du champ magnétique. Reproduit de 95.

Ces résultats constituent, à notre connaissance, un des premiers exemples de dispositifs de spintronique multifonctionnels dans lequel les propriétés de transport dépendant du spin sont associées à des propriétés de photoconduction : ils s’avèrent très encourageants pour la suite des activités de recherche dans ce domaine. Notons cependant que dans ces dispositifs, l’apport de lumière a modifié les propriétés de conduction du semi-conducteur sans pour autant en modifier la structure chimique. Le couplage avec les électrodes y est donc à priori inchangé. Une étude montrant une modification in situ de l’hybridation métal-couche organique via une commutation des molécules reste donc à paraître. En plus des quelques exemples dont nous nous sommes servis pour illustrer nos propos, davantage de travaux sont présentés dans des revues dédiées89,94.

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