Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l’expérience à la théorie de l’effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l’objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d’établir expérimentalement l’existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s’expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d’un excès d’oxygène à l’interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d’un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d’une barrière additionnelle à l’interface pour les états de symétrie ?1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d’oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l’électrode sous-jacente. L’emploi d’alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes ? et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO. / Epitaxial magnetic tunnel junctions are model systems in order to test the spin polarized tunnel effect theory. MgO(001) based junctions are thus subject of many studies. Some of them experimentally established the existence of coherent tunnelling involving the symmetry of Bloch states. However quantitatively, characteristics of real junctions strongly deviate from predictions. The role of imperfections in the barrier and at the interfaces is suspected but the current knowledge of dominant mechanisms is still limited. This thesis experiments aim at identifying and controlling several properties of the interfaces, of the barrier and of the electrodes which influence tunnelling. We study the consequences of an excess of oxygen at the Fe/MgO interface in Fe/MgO/Fe(001) junctions. Preparing a model Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) stacking allows us to confirm some expected effects, namely the appearance of an additionnal potential barrier at the interface for states with ?1 symmetry. However, and unexpectedly, the magnetoresistance little depends on the presence of oxygen. On the other hand, it is very sensitive to the crystallographic quality of interfaces. We show evidence for the detrimental influence of disorder and of the misfit between the MgO barrier and the supporting electrode. Using Fe V alloys with variable composition allows us to reduce the misfit and the dislocations density, which in turn induces a great enhancement of the magnetoresistance. We finally investigate how the electronic structures of Fe Co and Fe V alloys express themselves in tunnelling. In addition, we probe by spin resolved photoemission the ? bands and interfacial resonance states of free and MgO covered (001) surfaces.

La magnétite (Fe3O4) est un candidat prometteur pour des applications dans des dispositifs en spintronique. Ce ferrimagnétique avec une température de Curie élevée a été théoriquement prévu pour être un demi-métal avec un canal conducteur pour les spins minoritaire et un semi-conducteur pour les spins majoritaires, résultant en 100% de polarisation en spin au niveau de Fermi. Cependant, jusqu'à présent, aucune preuve expérimentale claire sur ce sujet n'a été faite. Cette thèse présente des études en photoémission résolue en angle et en spin sur la structure électronique et magnétique de couches minces de Fe3O4 (001) épitaxiées sur MgO(001) . Un calcul de la structure de bande utilisant l'approximation du gradient généralisé (GGA + U) est proposé pour expliquer les résultats expérimentaux. Bien que l'intensité de photémission au niveau de Fermi soit très faible en raison du rôle joué par les polarons, une dispersion de la bande Fe 3d-t2g est observée. Le comportement global de cette bande est en bon accord avec le calcul de la structure état électronique représentant état fondamental. Pour simuler les spectres de photoémission, nous avons utilisé l'approximation de l'électron libre à l'état final, tout en ignorant les éléments de matrice de la transition électronique. Dans la simulation, les bandes calculées sont convoluées respectivement par la lorentzienne et la gaussien pour tenir compte de la durée de vie et des effets de couplage électron-phonon. En intégrant l'intensité spectrale sur un intervalle d'énergie de 100 MeV au niveau de Fermi, nous avons obtenu la première preuve expérimentale de la surface de Fermi. Détermination de la polarisation de spin des électrons est un test ultime des calculs de bandes et des spectres de photoémission modélisés. Dans nos expériences de photoémission résolue en spin, nous avons utilisé des photons de 4.65 et 6.20 eV. Le même échantillon comme pour la photoémission intégré en spin a été mesuré, nécessitant son transfert par l'air dans une autre chambre. L'échantillons n'a pas été soumis à un nettoyage avant les mesures résolues en spin ce a conduit à une réduction de la polarisation en spin à cause de la présence d'une couche polluée sur la surface. Néanmoins, une polarisation de spin de - 50% et -72 % a été mesurée au voisinage de EF respectivement pour les photons de 6.20 et de 4.65 eV. Nous en concluons que Fe3O4 peuvent être décrits par un modèle de bande et en particulier qu'il est demi-métallique. Nous avons également utilisé des impulsions femtoseconde laser dans une expérience pompe-sonde pour étudier la dynamique ultra-rapide à l'échelle atomique. Nos résultats montrent que la durée de vie des électrons excités dans Fe3O4 est beaucoup plus longue que dans un métal «ordinaire». L'analyse de la polarisation en spin des électrons excités montre que la désaimantation ne se produit pas dans le domaine de la femtoseconde, ce qui est compatible avec des propriétés demi-métalliques de la magnétite . / Magnetite (Fe3O4) is a promising candidate for application in spintronic devices. This ferrimagnet with a high Curie temperature has been theoretically predicted to be a half-metal with a conductive minority-spin (↓) channel and a semiconductive majority-spin (↑) channel, resulting in 100 % spin polarization at the Fermi level. But up to now, any clear experimental evidence is lacking. This thesis presents spin- and angle-resolved photoemission studies on the magnetic and electronic structure of Fe3O4 (001) epitaxially grown on MgO (001). A band structure calculation using generalized gradient approximation plus U (GGA+U) to the density functional theory (DFT) is proposed to explain the experimental results. Although the PES intensity at Fermi level is very low because of the role played by polarons, a dispersion of the Fe 3d-t2g states is observed. The overall behaviour of these bands is in good agreement with the calculation of ground state electronic structure. In order to simulate the spectra, we used the free electron approximation for the final states, ignoring the matrix elements. Calculated ground state data are convoluted by Lorentzian and Gaussian functions to account for the lifetime and electron-phonon coupling effects, respectively. By integrating the spectral intensity over an energy interval of 100meV at Fermi level, we obtained the first experimental evidence of the Fermi surface plot. Determination of electron spin polarization is an ultimate test of both the band calculations and our model of Fe3O4 photoemission spectra. In our spin-resolved photoemission experiments 4.65 and 6.20 eV photons were used. The same sample was used as for spin-integrated ARPES, requiring its transfer through air to another chamber. It was not subject to any cleaning prior to the SRPES measurements that lead to a reduction of the spin polarization as a consequence of the presence of a dead layer on the surface. Nevertheless the spin polarization close to EF reaches - 50% and -72% for 6.20 and 4.65 eV photons respectively. We conclude that Fe3O4 can be described within a band model and in particular that it is half-metallic. We also used femtosecond laser pulses in pump-probe experiments to investigate ultrafast dynamics on atomic scale. Our results show that the lifetime of excited electrons in Fe3O4 is much longer than in an “ordinary” metal. From the spin analysis of excited electrons, we deduce that the demagnetization does not occur in the femtosecond range, which is compatible with half-metallic properties of magnetite.</dcterms:abstract> <dc:type xsi:type="dcterms:DCMIType"

La magnétite (Fe3O4) est un candidat prometteur pour des applications dans des dispositifs en spintronique. Ce ferrimagnétique avec une température de Curie élevée a été théoriquement prévu pour être un demi-métal avec un canal conducteur pour les spins minoritaire et un semi-conducteur pour les spins majoritaires, résultant en 100% de polarisation en spin au niveau de Fermi. Cependant, jusqu'à présent, aucune preuve expérimentale claire sur ce sujet n'a été faite. Cette thèse présente des études en photoémission résolue en angle et en spin sur la structure électronique et magnétique de couches minces de Fe3O4 (001) épitaxiées sur MgO(001) . Un calcul de la structure de bande utilisant l'approximation du gradient généralisé (GGA + U) est proposé pour expliquer les résultats expérimentaux. Bien que l'intensité de photémission au niveau de Fermi soit très faible en raison du rôle joué par les polarons, une dispersion de la bande Fe 3d-t2g est observée. Le comportement global de cette bande est en bon accord avec le calcul de la structure état électronique représentant état fondamental. Pour simuler les spectres de photoémission, nous avons utilisé l'approximation de l'électron libre à l'état final, tout en ignorant les éléments de matrice de la transition électronique. Dans la simulation, les bandes calculées sont convoluées respectivement par la lorentzienne et la gaussien pour tenir compte de la durée de vie et des effets de couplage électron-phonon. En intégrant l'intensité spectrale sur un intervalle d'énergie de 100 MeV au niveau de Fermi, nous avons obtenu la première preuve expérimentale de la surface de Fermi. Détermination de la polarisation de spin des électrons est un test ultime des calculs de bandes et des spectres de photoémission modélisés. Dans nos expériences de photoémission résolue en spin, nous avons utilisé des photons de 4.65 et 6.20 eV. Le même échantillon comme pour la photoémission intégré en spin a été mesuré, nécessitant son transfert par l'air dans une autre chambre. L'échantillons n'a pas été soumis à un nettoyage avant les mesures résolues en spin ce a conduit à une réduction de la polarisation en spin à cause de la présence d'une couche polluée sur la surface. Néanmoins, une polarisation de spin de - 50% et -72 % a été mesurée au voisinage de EF respectivement pour les photons de 6.20 et de 4.65 eV. Nous en concluons que Fe3O4 peuvent être décrits par un modèle de bande et en particulier qu'il est demi-métallique. Nous avons également utilisé des impulsions femtoseconde laser dans une expérience pompe-sonde pour étudier la dynamique ultra-rapide à l'échelle atomique. Nos résultats montrent que la durée de vie des électrons excités dans Fe3O4 est beaucoup plus longue que dans un métal "ordinaire". L'analyse de la polarisation en spin des électrons excités montre que la désaimantation ne se produit pas dans le domaine de la femtoseconde, ce qui est compatible avec des propriétés demi-métalliques de la magnétite .

Dans le manuscrit, nous étudions l'impact des défauts sur le transport électronique dépendant du spin dans les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces études ont été effectuées sur des hétérostructures possédant des barrières tunnel composé de SrTiO3, TiO2 et de MgO. Dans le cas des deux premières structures, nous montrons comment l'oxydation à l'interface induit réduction très prononcée de la magnétorésistance tunnel (TMR). Dans le cas du MgO, des études optiques sur les états induits par les défauts dans la barrière isolante ont été effectué. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler la densité de certain type de défaut (lacune d'oxygène) en altérant les conditions de dépôts du MgO. Les études électriques et optiques effectué sur ces échantillons permettent de remonter à l'énergie des défauts au sein de la barrière. Les méthodes d'analyses des mesures électrique Î (I chapeau), qui représente la variation relative ou absolue du courant électrique en fonction de la température, permet de définir différents régime de transport à travers les jonctions CoFeB/MgO/CoFeB. Le régime intrinsèque observé à basse température s'explique par les effets de structure de bande du CoFeB et du MgO (filtrages des électrons de différente symétrie par la barrière de MgO), tandis que le régime " extrinsèque " observé aux températures intermédiaires résulte d'une activation thermique progressive des lacunes d'oxygène et est accompagné d'une réduction de la résistance ainsi que du signal TMR. Nous avons également montré dans des études préliminaires qu'une excitation optique des défauts a un impact sut le magnéto-transport.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l'expérience à la théorie de l'effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l'objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d'établir expérimentalement l'existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s'expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d'un excès d'oxygène à l'interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d'un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d'une barrière additionnelle à l'interface pour les états de symétrie Δ1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d'oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l'électrode sous-jacente. L'emploi d'alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes Δ et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO.

Parmi toutes les méthodes de confinement des porteurs dans les trois directions de l'espace, la croissance auto organisée de boîtes quantiques semble être la meilleure. La méthode de fabrication de ces nanostructures est l'épitaxie par jets moléculaires ; elle permet l'obtention de cristaux d'une grande qualité, de manière cohérente avec leur environnement. Cette technique d'auto organisation dite de Stranski Krastanov génère cependant des nanostructures de tailles diverses ; le spectre de leur luminescence s'en retrouve élargi, altérant les performances des composants à base de boîtes quantiques. Une solution consiste à localiser leur croissance en structurant à l'échelle nanométrique le substrat : lorsqu'elles sont régulièrement espacées, leur taille et leur géométrie sont plus homogènes. La technique employée, la nanoimpression, présente l'avantage majeur de ne pas altérer la cristallinité du substrat. Ces travaux mettent en exergue le fait que la luminescence des boîtes quantiques après reprise d'épitaxie sur ces surfaces nanostructurées par nanoimpression est intense. Les boîtes quantiques sont ici appliquées à un domaine en plein essor : l'électronique de spin. Le principe est d'utiliser le spin de l'électron pour coder l'information. Trois problèmes majeurs doivent être surmontés pour ce faire : l'injection de porteurs polarisés en spin dans le semiconducteur, le transport de ces porteurs polarisés, et enfin la recombinaison radiative, le cas échéant, pour émettre des photons polarisés avec un bon rendement. Dans cette thèse, nous présentons un composant qui permet de qualifier l'ensemble de ces paramètres, la spinLED. Les temps caractéristiques de relaxation de spin dans le semiconducteur sont courts, de l'ordre de 100ps ; il a été nécessaire d'adapter la structure de la spinLED pour la rendre compatible aux caractérisations en hyperfréquence, jusqu'à 20GHz.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat.

Dans le manuscrit, nous étudions l’impact des défauts sur le transport électronique dépendant du spin dans les jonctions tunnel magnétiques (JTM). Ces études ont été effectuées sur des hétérostructures possédant des barrières tunnel composé de SrTiO3, TiO2 et de MgO. Dans le cas des deux premières structures, nous montrons comment l’oxydation à l’interface induit réduction très prononcée de la magnétorésistance tunnel (TMR). Dans le cas du MgO, des études optiques sur les états induits par les défauts dans la barrière isolante ont été effectué. Nous avons montré qu’il est possible de contrôler la densité de certain type de défaut (lacune d’oxygène) en altérant les conditions de dépôts du MgO. Les études électriques et optiques effectué sur ces échantillons permettent de remonter à l’énergie des défauts au sein de la barrière. Les méthodes d’analyses des mesures électrique Î (I chapeau), qui représente la variation relative ou absolue du courant électrique en fonction de la température, permet de définir différents régime de transport à travers les jonctions CoFeB/MgO/CoFeB. Le régime intrinsèque observé à basse température s’explique par les effets de structure de bande du CoFeB et du MgO (filtrages des électrons de différente symétrie par la barrière de MgO), tandis que le régime « extrinsèque » observé aux températures intermédiaires résulte d’une activation thermique progressive des lacunes d’oxygène et est accompagné d’une réduction de la résistance ainsi que du signal TMR. Nous avons également montré dans des études préliminaires qu’une excitation optique des défauts a un impact sut le magnéto-transport. / In the manuscript it is presented how the spin-polarized transport across magnetic tunnel junctions (MTJ) is affected by presence of structural defects within the barrier and at its interfaces. Studies concern structures incorporating SrTiO3, TiO2 and MgO insulators. In case of the first two structures it is shown how interfacial oxidation results in the drastically reduced value of the tunnelmagnetoresistance (TMR). In case of the MgO barrier, extensive studies on defect sites within the crystalline network of the insulator are performed. It is shown that one may control density of certain types of oxygen vacancies by altering growth conditions of the MgO layer. Further electrical and optical studies give insight into energetical positioning of these defect sites. Extension of the Î magnetotransport analysis method from the ‘absolute’ to the ‘relative’ case reveals several regimes of transport across CoFeB/MgO/CoFeB junctions. The low-temperature ‘intrinsic’ regime is attributed exclusively to the band structure effects of the CoFeB electrodes, whereas the mid- to room-temperature ‘extrinsic’ regimes result from the gradual incidence of thermally activated defect sites on the spin-polarized transport, which is accompanied by an increased reduction of both the resistance and the TMR signal. Initial experiments show that optical excitation of the defect sites has a crucial impact on the magnetotransport.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat. / Spintronic phenomena in magnetic tunnel junctions and thin films are very promising from both fundamental and application points of view. They are based on exploring spin of electron in addition to its charge and include interlayer exchange coupling (IEC), perpendicular magnetic anisotropy (PMA), giant (GMR) and tunnel magnetoresistance (TMR), Spin Transfer Torque (STT), Spin Hall Effect (SHE) and even inducing magnetism in non d elements including graphene. This thesis will include first-principles studies of spintronic phenomena which have been of high interest recently. First part is devoted to interlayer exchange coupling across insulating materials including MgO, SrTiO3, GaAs and ZnSe. The second part will include ab initio studies of perpendicular magnetic anisotropy at Fe|MgO interfaces and MTJs including the mechanism and its correlation to the Bloch state symmetry based spin filtering. In third part investigations of magnetic anisotropy and work function in Co|graphene interfaces will be presented. Next, it will be shown possibility of inducing and optimizing intrinsic magnetism in graphene nanomeshes. Final part will be devoted to inducing spin polarization and tuning Dirac point and magnetic order in graphene by means of magnetic substrate proximity effects.