Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Cette thèse porte sur la modélisation de nano-fils ferromagnétiques. La première par-tie est consacrée à la dérivation par processus asymptotique d'un modèle uni-dimen-sionnel de nano-fil ferromagnétique fini, courbé, torsadé et de section elliptique non constante, soumis à un courant électrique. Nous utilisons ensuite le modèle asympto-tique de jonction de fils pour considérer deux cas :- celui d'un fil infini présentant un coude dans la deuxième partie.-celui un fil rectiligne infini sur lequel on branche perpendiculairement un fil fini dans la troisième partie.Dans chacun des cas précédents, on explicite toutes les solutions stationnaires. Nous étudions ensuite la stabilité de ces solutions, en concluant que le coude et la jonction sont des points attracteurs du mur. Dans la dernière partie, nous introduisons une mé-thode numérique de type différences finis d'ordre 2 en espace adaptée à la simulation des systèmes de réseaux de nano-fils. Après avoir établi numériquement l'ordre de convergence de la méthode, nous validons le schéma en simulant soit des phénomènes décrits dans la littérature, soit des propriétés décrites de manières théoriques dans les parties précédents.Ainsi, nous calculons d'abord le seuil de Walker pour un fil rectiligne. De plus, nous vé-rifions que la configuration du mur est stable dans un fil pincé même en présence d'un petit champ appliqué dans la direction du fil. Par la suite nous vérifions les résultats de stabilité pour les cas d'un fil coudé de longueur finie et d'un jonction de trois fils finis. Enfin, nous étudions la propagation de plusieurs murs dans un réseau de fils sous forme d'un peigne en injectant un courant électrique. Dans cette partie toutes les simulations numériques sont faites en Python avec quelques visualisations en Matlab. / This thesis focuses on the modeling of ferromagnetic nanowires. In the first part, we derive a one-dimensional asymptotic model for the dynamics of the magnetic moment in a twisted ferromagnetic nanowire with variable elliptical cross-section, curvature and torsion, subjected to an electric current. Then, we use the new one-dimensional model to consider two cases: - the case of an infinite ferromagnetic nanowire having a bend in the second part.- the second case is when we connect perpendicularly a finite straight wire on a straight infinite horizontal wire in the third part.In both cases, we prove the existence of static solutions. We study the stability of these solutions, we conclude that the bend and the junction attract the wall profiles. In the last part, we introduce a finite difference of order 2 in space adapted to the si-mulation of nanowire network systems. After having numerically established the order of convergence of the method,we validate the scheme by simulating either phenomena described in the literature, or properties described in theoretical ways in the previous parts.We calculate the Walker field limit, for a straight wire. In addition, we verify that the wall configuration is stable in a pinched wire even in the presence of a small field ap-plied in the direction of the wire. Then we check the stability results for the case of a finite bent wire and a junction of three finite wires. Finally, we study the propagation of several walls in a network of wires in the form of a comb by injecting an electric current. In this part all the numerical simulations are made in Python with some visua-lizations in Matlab.

Le développement de nouveaux dispositifs spintroniques à base de semi-conducteurs (SC) nécessite la création d'une population électronique polarisée en spin dans ces matériaux. De ce point de vue, le germanium est un matériau prometteur pour les applications en spintronique à cause de la forte mobilité des porteurs de charge ainsi que de la symétrie d'inversion du cristal diamant à l'origine de temps de vie de spin très longs. Dans ce manuscrit, nous discutons deux approches pour l'injection et la détection électrique de spins dans le germanium. La première approche consiste à utiliser une barrière tunnel et un métal ferromagnétique (FM) comme injecteur de spin. L'insertion d'une barrière tunnel à l'interface FM/SC permet de résoudre le problème fondamental du désaccord de conductivité. Nous avons utilisé deux injecteurs différents : Py/Al2O3 et CoFeB/MgO. Les mesures sont réalisées en géométrie à trois contacts et l'accumulation de spins dans le germanium est démontrée par la mesure de l'effet Hanle. Dans le cas d'une barrière d'Al2O3, les spins injectés s'accumulent sur des états localisés à l'interface oxyde/Ge et cette accumulation est observée jusqu'à 220 K. Dans le cas d'une barrière de MgO, les spins sont réellement injectés dans le canal de Ge et un signal de 20-30 µV est encore observé à température ambiante. Nous discutons dans la deuxième approche l'utilisation du semi-conducteur magnétique (Ge,Mn) comme injecteur de spins dans le Ge. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés structurales et magnétiques de films minces de (Ge,Mn) fabriqués par épitaxie par jets moléculaires à basse température. En faisant varier les paramètres de croissance, nous avons pu observer des nanocolonnes de GeMn cristallines ou amorphes, ainsi que des films et des nanoparticules de Ge3Mn5. Nous nous sommes concentrés sur l'anisotropie magnétique de ces nanostructures. Finalement, la croissance de (Ge,Mn) sur GOI a été optimisée en vue de son utilisation comme injecteur de spins dans le germanium et différentes méthodes d'intégration de ce matériau dans les dispositifs de spintronique " tout semi-conducteur " sont discutées.

L’intégration de matériaux ferromagnétiques dans des hétérostructures semi-conductrices offre aujourd'hui de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique de spin. Dans ce manuscrit sont présentés les résultats de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d’hétérostructures de Mn5Ge3 sur Ge(111). Le Mn5Ge3 est un composé ferromagnétique jusqu'à température ambiante qui a l’avantage de pouvoir s’intégrer directement au Ge, semiconducteur du groupe IV. S'agissant d'un matériau relativement nouveau, un des efforts majeurs a porté sur la maîtrise de la croissance des couches minces de Mn5Ge3 par la technique d'épitaxie en phase solide (SPE). Un fort accent a été mis sur les caractérisations structurales, la détermination des relations d'épitaxie avec le Ge(111), afin de les relier aux propriétés magnétiques des films. La seconde partie de ce travail a été consacrée à l'étude des processus cinétiques d'incorporation de carbone dans les couches minces de Mn5Ge3. La combinaison des différents moyens de caractérisations structurales et magnétiques a permis d'aboutir à une augmentation notable de la température de Curie tout en conservant une excellente qualité structurale de la couche et de l'interface avec le Ge et une stabilité thermique jusqu’à 850°C. Tous ces résultats indiquent que les couches minces de Mn5Ge3épitaxiées sur Ge(111) apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour l'injection de spin dans les semi-conducteurs du groupe IV / Spin-electronics based on ferromagnetic metal/semiconductor systems offer a pathway toward integration of information storage and processing in a single material. This emerging fieldaims to create a new generation of electronic devices where two degrees of freedom will be associated: spin and charge of carriers. In this context, the outcome of this thesis is toelaborate a novel ferromagnetic compound, namely Mn5Ge3, on Ge using molecular beamepitaxy method. The interests in this compound are manyfold: it can be stabilized as a uniquephase on Ge(111) in the form of epitaxial thin films, it is ferromagnetic until room temperature and it is compatible with Si-based conventional microelectronics. In this work,one major effort was devoted to the epitaxial growth of Mn5Ge3 on Ge using Solid PhaseEpitaxy method. By combining structural and magnetic characterizations, we demonstrated high quality epitaxial thin Mn5Ge3 films with good magnetic properties. We also studied theeffect carbon incorporation on the structural and magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3films. The carbon-doped films exhibit a high Curie temperature with an atomically smoothinterface and a high thermal stability. All these results show that Mn5Ge3 is a promisingcandidate opening up the ways for spin injection via tunnel effect through the Schottky barrierinto Ge

Ce mémoire présente les travaux réalisés durant ces trois années de thèse. Ils se sont orientés autour de l'étude des propriétés électroniques et magnétiques des matériaux pour la spintronique. Ce domaine d'avenir doit encore trouver les matériaux adaptés qui permettraient de réaliser les concepts liés à la spintronique. Nos résultats sont les suivants. Nous avons proposé un nouveau modèle qui décrit l'arrangement magnétique dans les couches minces ferromagnétiques possédant une anisotropie uniaxiale. Le modèle apporte une meilleure description des largeurs de domaine en fonction de l'épaisseur ainsi qu'une bonne estimation de l'épaisseur critique à partir de laquelle les domaines de Weiss ne sont plus stables. L'ensemble d'équations en unité réduite découlant du modèle apporte quant à lui un outil supplémentaire aux expérimentateurs. L'étude ab-Initio fait sur les semi-Conducteurs magnétiques dilués à mis en évidence l'importance de la corrélation forte et de l'effet Jahn-Teller dans les matériaux tel que le (Ga,Mn)N et le (Zn,Cr)S. Ces calculs confirment l'ensemble des données expérimentales existantes sur le (Ga,Mn)N. La modélisation analytique apporte un complément aux calculs ab-Initio en faisant le lien entre les paramètres expérimentaux et la théorie de Vallin, très largement utilisée pour interpréter les mesures optiques du (Zn,Cr)S. Nos calculs ab-Initio ont montré que le métacinabre est un isolant topologique robuste, qui se distingue par la présence d'un cône de Dirac extrêmement anisotrope. Les effets de passivation à l'hydrogène influencent les états de surface des isolants topologiques de la série HgX (X : S, Se, Te). / This thesis contains the scientific work of three years. The main topic can be defined as follows : study of electronic and magnetic properties of materials for spintronics. That technology of the future has still to find the necessary materials to realize new concepts. Our results are the following : We propose a new model to describe the magnetic configuration in thin ferromagnetic film with uniaxial anisotropy. It gives a better description of domain widths in function of film thickness and permits to obtain a good evaluation of the critical thickness where domains of Weiss type are no longer stable. The set of equations in reduced units is a useful tool to analyze experimental data. The ab-Initio study of diluted magnetic semiconductors has demonstrated the combined effect of strong correlations and Jahn-Teller distortion in (Ga,Mn)N and (Zn,Cr)S. The calculations confirm the experimental results of (Ga,Mn)N. We develop an analytical model that is complementary to the ab-Initio calculations and permits to create a link between several experimental parameters, the ab-Initio calculations and the former theory of Vallin. It has been used to interpret the optical measurements of (Zn,Cr)S. Our ab-Initio studies show that metacinnabar is a strong topological insulator with one peculiarity, it has a highly anisotropic Dirac cone. The passivation with hydrogen atoms influences the surface states of the topological insulator in the series HgX (X : S, Se, Te). When the dangling bonds are saturated by hydrogen, the trivial surface states disappear.

L’objectif de cette thèse était de synthétiser des multicouches à base de couches ferromagnétiques GeMn qui sont empilées et séparées par des couches de Ge en utilisant la technique d'épitaxie par jets moléculaires.Outre de nombreuses applications en spintronique issues de cette structure de matériaux, la réalisation de capteurs biochimiques dédiés à la détection moléculaire est l’idée directrice de ce travail. Un tel dispositif présenterait les atouts que ses matériaux constituants apportent : haute sensibilité, sélectivité et compatibilité parfaite avec la technologie de Si-Ge. Dans la première partie de ce manuscrit sont présentés les résultats obtenus de la croissance d’hétérostructures Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx sur Ge(111) puis la reprise d’épitaxie de la barrière de Ge sur Mn5Ge3, la première étape avant la croissance de la deuxième couche ferromagnétique. Nous avons également analysé les propriétés structurales et magnétiques de ces couches minces ainsi que les dificultés dues à la croissance de la couche de Ge, notamment la diffusion et la ségrégation. Deux approches utilisant le carbone ont été proposées pour réduire la ségrégation : barrière de diffusion en carbone et remplissage des sites interstitiels du réseau Mn5Ge3 par du carbone. Le second axe alternatif pour la synthèse est consacré à la croissance de la structure colonnaire empilée Ge1-xMnx. Les conditions pour obtenir la structure colonnaire ont été déterminées. Les propriétés structurales et mesures magnétiques ont montré que cette phase était particulièrement intéressant dans la famille des semiconducteurs ferromagnétiques dilués à base de Ge-Mn pour les applications en spintronique et croissance de multicouches. La reprise d’épitaxie de plusieurs couches ferromagnétiques séparées par Ge a été effectuée et l’étude du couplage magnétique a été également menée. Enfin, nous présentons les premiers résultats sur le greffage de porphyrines et de protéines sur diverses surfaces hydrophiles et hydrophobes (Si, Ge), permettant d’accéder aux études de la faisabilité des capteurs Ge/GeMn. L’ensemble de ce travail indique que les multicouches de Ge/GeMn apparaissent comme des candidats à fort potentiel pour la spintronique, notamment pour capteurs bio-chimiques dans les semi-conducteurs du groupe IV. / The objective of this thesis is to synthetize the multilayers based on the sandwiched structure of GeMn ferromagnetic layers by mean of Molecular Beam Epitaxy on Ge substrate. Applications in spintronic field from this study are potential such as structures of spin valves, nanoscale sensors devoted to the detection of biochemical molecules. We actually focus on the biochemical sensors based on GMR (or TMR) phenomenon in stacking layered structure. These devices offer many advantages that the constituent materials may provide : high sensibility, selectivity, and especially, compatibility with Si-Ge technology. The first part of this manuscript presents the results obtained of heterostructure growth of Mn5Ge3, Mn5Ge3Cx on Ge(111), then Ge overgrowth on Mn5Ge3, the first step to study multilayers growth. Also, we have discussed about the structural and magnetic properties of these thin films as well as the problems due to the growth of multilayers, especially the diffusion and segregation. The approaches to reduce the diffusion were proposed by introducing carbon atoms as diffusion barrier or by fulfilling insterstial sites of Mn5Ge3 lattice by carbon atoms. The second axis of materials synthesis is devoted to the growth of multilayers Ge1-xMnx nanocolumn structure. The growth condition of Ge1-xMnx nanocolumns has been determined. We have studied structural and magnetic properties of this phase which are of particular interest to spintronic applications and multilayers growth. The Ge/Ge1-xMnx nanocolumns multilayers have been done and the interlayer exchange coupling between ferromagnetic layers has been studied. Finally, we have presented the preliminary results of porphyrin molecules and protein grafting on hydrophilic and hydrophobic surfaces (Si and Ge). This allows accessing to study the feasibility of Ge/GeMn-based sensors. This work indicates that the Ge/GeMn mutilayers appear to be a potential candidate for spintronics and biochemical sensors in the group IV semi-conductors.

Le développement de nouveaux dispositifs spintroniques à base de semi-conducteurs (SC) nécessite la création d'une population électronique polarisée en spin dans ces matériaux. De ce point de vue, le germanium est un matériau prometteur pour les applications en spintronique à cause de la forte mobilité des porteurs de charge ainsi que de la symétrie d'inversion du cristal diamant à l'origine de temps de vie de spin très longs. Dans ce manuscrit, nous discutons deux approches pour l'injection et la détection électrique de spins dans le germanium. La première approche consiste à utiliser une barrière tunnel et un métal ferromagnétique (FM) comme injecteur de spin. L'insertion d'une barrière tunnel à l'interface FM/SC permet de résoudre le problème fondamental du désaccord de conductivité. Nous avons utilisé deux injecteurs différents : Py/Al2O3 et CoFeB/MgO. Les mesures sont réalisées en géométrie à trois contacts et l'accumulation de spins dans le germanium est démontrée par la mesure de l'effet Hanle. Dans le cas d'une barrière d'Al2O3, les spins injectés s'accumulent sur des états localisés à l'interface oxyde/Ge et cette accumulation est observée jusqu'à 220 K. Dans le cas d'une barrière de MgO, les spins sont réellement injectés dans le canal de Ge et un signal de 20-30 µV est encore observé à température ambiante. Nous discutons dans la deuxième approche l'utilisation du semi-conducteur magnétique (Ge,Mn) comme injecteur de spins dans le Ge. Nous avons tout d'abord étudié les propriétés structurales et magnétiques de films minces de (Ge,Mn) fabriqués par épitaxie par jets moléculaires à basse température. En faisant varier les paramètres de croissance, nous avons pu observer des nanocolonnes de GeMn cristallines ou amorphes, ainsi que des films et des nanoparticules de Ge3Mn5. Nous nous sommes concentrés sur l'anisotropie magnétique de ces nanostructures. Finalement, la croissance de (Ge,Mn) sur GOI a été optimisée en vue de son utilisation comme injecteur de spins dans le germanium et différentes méthodes d'intégration de ce matériau dans les dispositifs de spintronique « tout semi-conducteur » sont discutées. / Creation of spin polarization in non-magnetic semiconductors is one of the prerequisite for creation of spintronics based semiconductor devices. Germanium is interesting for spintronics applications due to its high carrier mobilities and its inversion symmetry that gives long spin lifetimes. In this manuscript, we discuss two approaches for electrical spin injection and detection in Germanium. The first approach is to use a tunnel barrier and a ferromagnetic metal as a spin injector. The tunnel barrier at the interface circumvents the conductivity mismatch problem. Two different spin injectors are used: Py/Al2O3 and CoFeB/MgO. The measurements are performed in three-terminal geometry and the proof of spin accumulation is given by Hanle measurements. In case of Al2O3, the spin accumulation is predicted to be in localized states at the oxide/Ge interface and the spin signal is observed up to 220 K. However in MgO based devices, true injection in Ge channel is predicted and spin signal of 20-30 µV is observed at room temperature. The second approach of using ferromagnetic semiconductor (Ge,Mn) as spin injector is also discussed. The structural and magnetic properties of (Ge,Mn) thin-films grown by low-temperature molecular beam epitaxy (LT-MBE) are studied. Depending on the growth parameters, crystalline/amorphous GeMn nanocolumns and Ge3Mn5 thin films or nanoclusters have been observed. Magnetic anisotropy in these nanostructures is also studied. Finally, the growth of (Ge,Mn) films on GOI substrates is shown and different ways to use (Ge,Mn) as a spin injector in Ge are discussed to achieve all-semiconductor based spintronics devices.

Dans ma thèse, j’ai travaillé sur les modèles de fils en ferromagnétisme. J’ai obtenu les résultats suivants :- Existence de solutions très régulières pour les équations de Landau-Lifschitz en dimension 3.- Stabilité de profils de murs avec critère optimal de stabilité pour un fil soumis à un champ magnétique.- Stabilité de profils de murs pour un fil soumis à un courant électrique, dans le cas d’un fil à section circulaire et dans le cas d’un fil à section ellipsoïdale. - Justification des modèles monodimensionnels de fils. / In my thesis, I worked on models of wires in ferromagnetism. I got the following results:- Existence of very regular solutions for Landau-Lifschitz equations in dimension 3.- Optimal stability criterion for a wall in a ferromagnetic wire in a magnetic field.-Stability of walls in a ferromagnetic wire subjected to an electric current, in the case of a round wire and in the case of an ellipsoidal cross-section wire.- Justification of one-dimensional wires models.

Cette thèse est consacrée à la modélisation des films minces courbés du type martensitique, hyperélastiques et ferromagnétiques. L'épaisseur de ces films suivant la direction normale à leur surface moyenne est très petite devant les autres dimensions du film. Dans le cas des films hyperélastiques, on considère que ceux-ci sont fixés à un substrat tout en pouvant s'en décoller. La formulation du problème exclut l'interpénétration du film et du substrat. Les états d'équilibre de ces films sont dans tous les cas décrits par des problèmes de minimisation d'énergie dépendant de la déformation que subit le film ou de la magnétisation dans le cas des films ferromagnétiques. On étudie le comportement de ces énergies ainsi que celui de leurs éventuels minimiseurs, lorsque l'épaisseur du film tend vers zéro à l'aide des outils de la $\Gamma$-convergence et de développement asymptotique formel. On obtient des modèles bidimensionnels où l'énergie limite s'écrit sur une surface courbée de $\mathbb (R)^3$.

Cette étude présente les résultats de caractérisations structurales et morphologiques de multicouches discontinues métal-oxyde, composés d'un empilement de plans de nanoparticules métalliques noyées dans une matrice d'oxyde. L'amplitude de la magnétorésistance tunnel dans ces matériaux dépend de l'organisation du métal à plusieurs échelles. De multiples techniques ont été utilisées afin de sonder l'ordre local structural et magnétique (XAFS, Spectroscopie Mössbauer), l'ordre à moyenne distance (Réflectivité X, GISAXS, MET) et l'ordre à grande distance (Diffraction X). Les données issues de ces différentes techniques sont comparées et confrontées à celles des mesures magnétiques. Trois systèmes ont été étudiés, Fe/ZrO2, Co/ZrO2 et Co/SiO2, en faisant varier l'épaisseur de la couche nominale de métal déposé eM, la température du recuit TR effectué après l'élaboration par pulvérisation cathodique et la vitesse de dépôt des couches. Les ions paramagnétiques mis en évidence en périphérie des nanoparticules ne font pas partie intégrante d'une couche d'un oxyde connu du métal déposé. Ils sont « morts » du point de vue des propriétés magnétiques et électriques. La fraction d'atomes « morts » est plus importante avec la zircone qu'avec la silice et peut être diminuée en augmentant TR, eM et/ou en diminuant la vitesse de dépôt. La valeur de eM correspondant au seuil de percolation dans le plan des couches est déplacée vers les grandes valeurs de eM en augmentant TR. Le mouillage métal-oxyde est important avec la zircone (comparée à la silice) et avec le fer (comparée au cobalt). La morphologie des couches granulaires qui en résulte, notamment la taille des particules, détermine le comportement superparamagnétique ou ferromagnétique des particules. Pour chaque système métal-oxyde, un diagramme schématique (TR, eM) résume les propriétés magnétiques, structurales et morphologiques observées.