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Façonner les propriétés magnétiques d’un film d’oxyde en le déformant

par LABGPM - publié le

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En faisant croitre une couche d’oxyde de bismuth et de fer d’épaisseur nanométrique sur des substrats variés, des physiciens ont montré que les déformations induites transforment les propriétés magnétiques de ce matériau et permettent de les contrôler.

Pour améliorer l’efficacité, notamment énergétique, des futurs composants électroniques dédiés au stockage, à la transmission et au traitement de l’information, physiciens et ingénieurs s’intéressent à de nouveaux matériaux combinant des propriétés électriques et magnétiques : les multiferroïques. L’oxyde de bismuth et de fer (le BiFeO3) est particulièrement prometteur, car ses propriétés magnétiques et électriques sont robustes et couplées fortement l’une à l’autre. Une équipe de physiciens de l’Unité Mixte de Physique CNRS / Thales, du Groupe de Physique des Matériaux - GPM (CNRS / Univ. Rouen / INSA Rouen), du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques - MPQ (CNRS / Univ. Paris Diderot), et de physiciens américains, russes et chinois, vient de montrer qu’il est possible d’ajuster ces propriétés selon les besoins en jouant sur la tension imposée à ce matériau. Pour cela, ils ont mesuré et analysé de manière détaillée la réponse magnétique statique et dynamique de films minces mis en compression et en tension lors de leur croissance. Ils ont observé les modifications de la dynamique des ondes de spin, et notamment la disparition des modes de faible énergie lorsque la contrainte devient importante. Ce travail est publié dans la revue Nature Materials.

Pour ces travaux, les physiciens ont fait croitre des films de BiFeO3 épais de 70 nanomètres sur des substrats variés présentant une périodicité légèrement différence de celle du cristal massif de BiFeO3. Lors de cette croissance, la périodicité du matériau déposé s’adapte à celle du substrat, ce qui permet d’avoir des déformations allant de −2,6% (en compression) à 1,3% (en dilatation). Après avoir vérifié la structure de la couche, les chercheurs ont déterminé l’ordre magnétique de la couche d’oxyde par spectroscopie Mossbauer, puis déterminé le spectre des excitations par spectroscopie Raman. En combinant ces mesures avec une modélisation théorique de la structure magnétique, les physiciens ont déterminé les divers ordres magnétiques présents et leur domaine de stabilité. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives pour la réalisation de nouveaux composants à ondes de spin ou avec une réponse magnétoélectrique contrôlée. L’enjeu consiste maintenant à ajuster en continu les propriétés magnétiques de ce matériau, par exemple en le combinant à des matériaux piézoélectriques qui se déforment lors qu’ils sont soumis à une tension électrique.

En savoir plus

Crafting the magnonic and spintronic response of BiFeO3 films by epitaxial strain, D. Sando1, A. Agbelele2, D. Rahmedov3, J. Liu4, P. Rovillain4, C. Toulouse4, I. C. Infante1,5, A. P. Pyatakov6,7, S. Fusil1, E. Jacquet1, C. Carrétéro1, C. Deranlot1, S. Lisenkov8, D.Wang9, J-M. Le Breton2, M. Cazayous4, A. Sacuto4, J. Juraszek2, A. K. Zvezdin6,10, L. Bellaiche3, B. Dkhil5, A. Barthélémy1 et M. Bibes1, Nature Materials, (2013)