Comme nous l’avons dit dans le chapitre 2, deux techniques nous ont permis de mesu- rer l’efficacit´e de filtrage de spin des films ultraminces de ferrites : la m´ethode Meservey- Tedrow et des mesures de TMR sur des jonctions tunnel magn´etiques. Dans les deux cas, il a ´et´e n´ecessaire d’ajouter une barri`ere ultramince de γ-Al2O3(111) pour r´ealiser l’empi-
lement suivant : saphir/Pt(111)/Ferrite(111)/γ-Al2O3(111)/d´etecteur de spin(Al ou Co).
Cette barri`ere a en effet permis d’assurer une tr`es bonne qualit´e pour le film d’alumi- nium supraconducteur utilis´e pour les mesures de Meservey-Tedrow. Elle a ´egalement ´et´e indispensable pour garantir le d´ecouplage magn´etique entre le film de ferrite et la contre- ´electrode de cobalt utilis´ee dans les jonctions tunnel magn´etiques. Nous avons r´ealis´e la croissance de cette barri`ere ultramince, par MBE, en suivant la proc´edure d´evelopp´ee pour obtenir des barri`eres cristallines de Al2O3 sur Fe3O4 [144] et CoFe2O4 [119]. Le d´epˆot a
´et´e r´ealis´e `a haute temp´erature (450◦C) en veillant `a utiliser une pression d’oxyg`ene suf-
fisante. De cette fa¸con, il est possible d’´elaborer des barri`eres ultraminces cristallines de structure spinelle γ-Al2O3(111), d´epos´ees sur MnFe2O4, NiFe2O4 et CoFe2O4. Les clich´es
de diffraction RHEED des 3 syst`emes Ferrite/γ-Al2O3 sont montr´es sur la figure 3.11.
La similarit´e observ´ee entre les clich´es de diffraction des ferrites et de Al2O3 indique que
Al2O3 cristallise bien selon une structure spinelle.
Afin d’assurer la continuit´e de la barri`ere de Al2O3, nous avons ´elabor´e des films
de 1.5 nm d’´epaisseur. Des mesures RHEED en temps r´eel et des analyses TEM ont d´ej`a ´et´e faites sur le syst`eme CoFe2O4(3-5nm)/γ-Al2O3(1.5 nm)[119] et ont permis de
confirmer la croissance ´epitaxiale de la barri`ere de Al2O3sur un film de ferrite. Ces mesures
ont montr´e qu’`a 1.5 nm d’´epaisseur, la barri`ere de γ-Al2O3 ne relaxe pas compl`etement
les contraintes dues au d´esaccord de param`etre de maille avec le film de ferrite (fig. 3.12). Elle subit une contrainte en tension dans le plan de -6 % par rapport `a CoFe2O4.
Nous avons obtenu des images TEM haute r´esolution en section transverse pour un film saphir/Pt(111)/CoFe2O4(111)/γ-Al2O3(111), et un exemple est donn´e sur la figure 3.13.
Pt / NiFeO(3 nm) Pt / NiFeO(3 nm) / AlO(1.5 nm) Pt / MnFeO(3 nm) Pt / MnFeO(3 nm) / AlO(1.5 nm) Pt / CoFeO(3 nm) Pt / CoFeO(3 nm) / AlO(1.5 nm)
Figure 3.11 –Clich´es de diffraction RHEED selon les directions [1010] (`a gauche) et [1100] (`a droite)
pour les trois films ultraminces de MnFe2O4(111), NiFe2O4(111) et CoFe2O4(111) d´epos´es sur Pt(111).
Les clich´es obtenus apr`es le d´epˆot de la barri`ere cristalline de γ-Al2O3(111) r´ev`elent la tr`es haute qualit´e
´epitaxiale des empilements Ferrite/γ-Al2O3.
En raison de l’´epitaxie entre les deux couches spinelles, il est tr`es difficile de les distinguer. Ces images de microscopie prouvent ´egalement la tr`es bonne qualit´e cristalline des films ultraminces de ferrite d´epos´es sur Pt(111).
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 2 4 6 8 10 12 -Al 2 O 3 (1.5 nm) CoFe 2 O 4 (3 nm) a ( % ) t (s)
Figure3.12 –Evolution du d´esaccord de param`etre de maille au cours du d´epˆot de CoFe2O4(3 nm)/γ-
Al2O3(1.5 nm) sur α-Al2O3(0001), mesur´ee en temps r´eel par diffraction RHEED.
La qualit´e des interfaces ´etant cruciale pour le transport tunnel, nous avons ´egalement contrˆol´e la qualit´e chimique de l’interface ferrite/Al2O3. Des mesures de spectroscopie
d’´electrons Auger ont permis de v´erifier la bonne oxydation de la barri`ere d’alumine puisque cette technique est tr`es sensible `a la surface et `a la pr´esence d’Al m´etallique. De nombreux tests ont ´et´e n´ecessaires pour d´eterminer les bons param`etres de croissance (vitesse de croissance et pression d’oxyg`ene) afin d’obtenir des barri`eres de Al2O3 de
bonne qualit´e cristalline et bien oxyd´ees sur les trois surfaces de ferrites. La figure 3.14 montre le spectre Auger d’une barri`ere de Al2O3 optimis´ee, compar´e `a celui d’une barri`ere
Figure 3.13 – Exemple de microscopie ´electronique `a haute r´esolution en coupe transverse d’un film
α-Al2O3(0001)/Pt(111)/CoFe2O4(111)/γ-Al2O3(111). La direction [112] est perpendiculaire `a l’image.
l´eg`erement sous-oxyd´ee. L’existence d’un seul pic `a 56 eV et l’absence de pic correspondant `a l’aluminium sous forme m´etallique (`a 70 eV) confirment que nos barri`eres de Al2O3 sont
bien oxyd´ees.
30 40 50 60 70 80 90
Al AlOx
Al LMM
Energie cinétique (eV)
In te n s it é d if fé re n ti e lle ( u . a .) 30 40 50 60 70 80 90 In te n s it é d if fé re n ti e lle ( u . a .)
Energie cinétique (eV)
Al LMM AlO
x Al
Figure 3.14 – Spectres Auger `a 3 keV d’une barri`ere de Al2O3 (1.5 nm) bien oxyd´ee d´epos´ee sur
CoFe2O4(3 nm) (`a gauche) et l´eg`erement sous-oxyd´ee sur MnFe2O4(3 nm) (`a droite).
Il a ´egalement fallu s’assurer que le d´epˆot de Al2O3 ne modifie pas l’´etat d’oxydation
des films de ferrite `a l’interface. Pour cela, la spectroscopie XPS in situ a ´et´e utilis´ee pour identifier les ´etats d’oxydations des films de ferrite apr`es le d´epˆot de Al2O3. Nous avons
observ´e que le d´epˆot de la barri`ere de Al2O3 peut compl`etement modifier l’´etat d’oxyda-
tion des ferrites en r´eduisant l’interface (fig. 3.15). En effet, si la pression d’oxyg`ene est insuffisante pendant la croissance de Al2O3, l’aluminium puise de l’oxyg`ene dans la couche
de ferrite. Les cations d’aluminium ont en effet une plus forte affinit´e avec l’oxyg`ene. Dans ce cas, la barri`ere de Al2O3 peut apparaˆıtre parfaitement oxyd´ee sur les spectres Auger,
alors que le film de ferrite ne l’est plus. Nous avons en particulier observ´e cela sur les films de NiFe2O4. L’oxydation 3+ des cations Fe peut ˆetre r´eduite `a un ´etat 2+/3+ apr`es
730 725 720 715 710 705 In te n s it é ( u . a .)
Energie de liaison (eV) Fe 2p
Fe 3+
730 725 720 715 710 705
Fe 2+
Fe 2p
Energie de liaison (eV)
In te n s it é ( u . a .)
Figure 3.15 – (`a gauche) Spectre XPS au seuil Fe 2p d’un film ultramince de NiFe2O4 (3 nm)
apr`es le d´epˆot d’une barri`ere de Al2O3 r´ealis´e dans des conditions d’oxydation suffisantes . (`a droite)
Modification de l’´etat d’oxydation du fer apr`es le d´epˆot d’une barri`ere de Al2O3 sous une pression
d’oxyg`ene insuffisante.
d´epˆot de Al2O3. Cela est clairement visible sur les spectres XPS 2p du fer et un exemple
est donn´e `a la figure 3.15.
J’ai ´elabor´e un grand nombre d’´echantillons dans diff´erentes pressions d’oxyg`ene, ca- ract´eris´es minutieusement par spectroscopies Auger et XPS. Cela a permis de d´eterminer les conditions de croissance n´ecessaires pour obtenir des barri`eres de Al2O3 parfaitement
oxyd´ees et qui ne modifient pas `a l’interface l’´etat d’oxydation des cations dans MnFe2O4,
NiFe2O4 et CoFe2O4.