Multicouches

Motivations

Les syst`emes multicouches alternant des mat´eriaux magn´etique et non magn´etique ont par ailleurs suscit´e un int´erˆet croissant ces derni`eres ann´ees, en raison de leurs propri´et´es originales qui n´ecessitent une compr´ehension approfondie et qui d’autre part les rendent attractifs pour diverses applications technologiques. Citons par exemple le couplage d’´echange entre les couches magn´etiques qui ´evolue en fonction de l’´epaisseur des couches non magn´etiques en pr´esentant des oscillations amorties [206, 10], et qui peut ainsi ˆetre tr`es facilement ajust´e : associ´ee aux effets de magn´etor´esistance [19, 132], cette propri´et´e trouve de nombreuses utilisations, notamment en ´electronique de spin.

Les syst`emes 3d-4d et 3d-5d tels que Co-Rh et Co-Pt sont particuli`erement int´eressants en raison du magn´etisme induit des ´el´ements 4d/5d qu’il est possible de contrˆoler via sa d´ependance vis-`a-vis de la distance `a l’interface Co-4d ou Co-5d : on peut ainsi envisager d’utiliser une couche d’´el´ement 4d ou 5d, dont on contrˆole parfaitement le moment magn´etique induit, comme couche d’injection de spin. Ces syst`emes mixtes sont ´egalement extrˆemement prometteurs dans le domaine de l’enregistrement magn´etique ou magn´eto-optique puisqu’ils donnent lieu `a une anisotropie magn´etique perpendiculaire remarquable du fait du fort couplage spin-orbite des ´el´ements 4d/5d et de la pr´esence des interfaces [212]. Outre les caract´eristiques du couplage d’´echange, les mesures effectu´ees portent donc, dans la mesure du possible, sur l’estimation du profil des moments magn´etiques induits sur les atomes 4d/5d.

Du point de vue th´eorique, le couplage d’´echange entre couches magn´etiques s´epar´ees par des couches non magn´etiques est bien d´ecrit en termes d’oscillations de type Rudermann- Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) via les ´electrons de valence d´elocalis´es [167, 99, 210], ou, de fa¸con ´equivalente, par des approches de type puits quantiques [181]. Comme Bruno et Chappert ainsi que Stiles l’ont montr´e [24, 25, 181], la g´en´eralisation de la th´eorie `a des situations r´ealistes (notamment grˆace `a une description discr`ete et non plus continue du mat´eriau) permet d’´ecrire la constante de couplage entre deux couches magn´etiques s´epar´ees par une distance z sous la forme d’une somme de termes oscillants amortis :

I(z) =X q

I_q0sin(2qz + φq)

(2qz)2 . (4.1)

riau non magn´etique. En raison de la n´ecessaire discr´etisation des plans atomiques qui introduit un sous-´echantillonnage, on montre de plus que seules des oscillations de p´eriode d’au moins 2 ML peuvent ˆetre observ´ees. Ceci explique les longues p´eriodes observ´ees exp´erimentalement (comme par exemple 10 ˚A=4.5 ML pour Co/Rh(111) [216, 52]) qui ne peuvent pas ˆetre d´ecrites par l’application na¨ıve de la th´eorie RKKY initialement d´evelopp´ee [167, 99, 210], qui pr´edit une longueur d’onde ´egale `a la demi-longueur d’onde de Fermi. Le moment magn´etique induit par une impuret´e magn´etique sur ses voisins non magn´etiques pr´esente la mˆeme forme d’oscillations amorties que l’´equation 4.1 [137]. C’est ce qui nous int´eressera dans la suite.

La r´ealisation de telles structures multicouches artificielles est maintenant bien maˆıtris´ee, au moyen de techniques d’´elaboration comme la pulv´erisation cathodique (sputtering en anglais) ou l’´epitaxie par jet mol´eculaire (MBE, de l’anglais molecular beam epitaxy) [22]. Les propri´et´es magn´etiques s’av`erent tr`es d´ependantes des conditions de croissance ; les conditions d’interface (comme la rugosit´e) jouent en particulier un rˆole capital.

R´esultats

Rampe et al. [159] ont ´etudi´e par photo´emission d’´electrons des couches de Rh d´epos´ees par MBE sur Co ainsi que des tricouches Co/Rh/Co(0001). Ils ont montr´e que Rh pr´esente une structure ´electronique polaris´ee en spin (donc un moment net, mais qui n’a pas pu ˆetre mesur´e) sur la premi`ere couche en contact avec Co, mais n’ont pu d´etecter aucun moment induit sur les suivantes `a la pr´ecision du dispositif exp´erimental. Ils ont ´egalement ´etudi´e l’´evolution du couplage d’´echange en fonction de l’´epaisseur de Rh, tRh, entre les couches de Co (figure 4.4) et ont d´etermin´e une p´eriode d’oscillation de 8_{± 1 ML, le couplage ´etant antiferromagn´etique d`es} tRh ≈ 2.5 ML= 5 ˚A.

Zoll et al. [216, 52] ont ´etudi´e des multicouches Co/Rh ´elabor´ees par sputtering, et par MBE dans la structure cfc (111). Par des mesures magn´etiques SQUID, ils ont observ´e que Co conserve ses propri´et´es magn´etiques `a l’interface avec Rh malgr´e l’interdiffusion. Ils ont mis en ´evidence pour les ´echantillons MBE un couplage d’´echange oscillant avec une p´eriode d’environ 10 ˚A en bon accord avec leurs calculs DFT-LDA. Ces exp´eriences soulignent ´egalement l’importance des conditions d’´elaboration, comme par exemple sur la premi`ere zone de couplage antiferromagn´etique qui s’av`ere diff´erente pour les deux types d’´echantillons (5-10 ˚A et 6-12 ˚A pour les ´echantillons r´ealis´es en MBE et sputtering respectivement).

Tomaz et al. [187] ont ´etudi´e des multicouches Co/Rh dans la structure cubique t´etragonale (001). Ils ont observ´e que Co conserve son moment magn´etique du mat´eriau massif et que Rh poss`ede un moment induit de 0.5− 0.6 µB localis´e `a l’interface (figure 4.5). Une p´eriode d’oscillation d’environ 9 ˚A est mesur´ee pour le couplage d’´echange, avec une premi`ere zone de couplage antiferromagn´etique pour tRh≈ 4 ˚A.

Des moments induits plus faibles sont en g´en´eral rapport´es pour le syst`eme Co-Pt. Le profil d’aimantation au voisinage d’une interface Co/Pt a ´et´e ´etudi´e par XMCD par Sch¨utz et al. [172] et indique une aimantation induite parall`ele notable de 0.15_{− 0.21 µ}B/Pt au niveau de l’interface qui d´ecroˆıt quasi exponentiellement sur une longueur caract´eristique d’environ 1 nm. Des r´esultats analogues ont ´et´e obtenus plus r´ecemment par Geissler et al. [72].

Il subsiste encore une controverse sur la distance `a partir de laquelle le couplage devient antiferromagn´etique ; les exp´eriences r´ealis´ees ne montrent pas en effet de zone de couplage antiferromagn´etique comme dans le cas du rhodium alors que certains calculs th´eoriques [59] sur le syst`eme Co2Pt13 pr´edisent un moment induit antiparall`ele, tr`es faible, sur les atomes Pt centraux, qui n’est pas observ´e exp´erimentalement (figure 4.6).

Une ´etude DFT [203] d’une monocouche de Co adsorb´ee `a la surface de Pt(111) a pr´edit des moments magn´etiques induits sur Pt d’environ 0.4 µB, mais le slab sym´etrique utilis´e ne comportait que cinq couches au total, ce qui est bien trop petit pour examiner correctement

Fig. _{4.5 – Moments magn´etiques pour Co (`a gauche) et Rh (`a droite) d´etermin´es par XMCD sur} des multicouches Co/Rh(001), d’apr`es [187]. A gauche, le moment r´esultant de Co s’annule pour tRh≈ 4 ˚A du fait du couplage antiferromagn´etique ; `a droite, le moment mesur´e pour Rh s’explique bien par un moment induit de 0.5_{− 0.6 µ}B localis´e `a l’interface.

distance à l'interface (nm) momen t magn étique de P t (µB )

Fig._{4.6 – Comparaison entre le moment magn´etique des atomes Pt mesur´e par XMCD (trait plein)} par Geissler et al. [72] et calcul´e dans le formalisme LMTO-LDA (ronds noirs) par Ederer et al. [59] pour le syst`eme Co2Pt13. Le moment calcul´e pour la plus grande distance `a l’interface consid´er´ee (_{≈ 1.5 nm) s’´el`eve `a environ −0.01 µ}B (d’apr`es [59]).

le profil de l’aimantation induite. Plus r´ecemment, Sabiryanov et al. [170] ont ´etudi´e de petits agr´egats Co sur une surface Pt(111) et observent ´egalement de forts moments induits sur les atomes Pt `a proximit´e des ilˆots Co ; dans ce cas, les forts moments observ´es par rapport au cas des multicouches proviennent de la dimensionalit´e r´eduite du syst`eme consid´er´e.

En conclusion, il s’av`ere que Rh et Pt pr´esentent tous deux une aimantation induite significative au voisinage de l’interface avec Co. Le moment induit apparaˆıt plus ´elev´e dans le cas de Rh : µRh≈ 0.5−0.6 µBcontre µPt≈ 0.2 µB. En revanche, l’oscillation du couplage d’´echange, donc du moment induit, pr´esente dans Co/Rh une p´eriode d’environ 8− 10 ˚A ≈ 4 − 5 ML `a 8 ML (sa valeur d´epend de fa¸con relativement importante des conditions d’´elaboration), la zone de couplage antiferromagn´etique ´etant atteinte pour des ´epaisseurs de Rh ´egales `a la demi- p´eriode, soit d`es tRh = 4− 5 ˚A ≈ 2 ML `a 4 ML respectivement. En revanche, dans le cas de Co/Pt, l’exp´erience montre que le couplage reste ferromagn´etique au moins jusqu’`a des ´epaisseurs tPt≈ 16 ˚A ≈ 7 ML.