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Couplage d’échange entre une couche ferromagnétique et BiFeO3, un matériau multiferroïque à température ambiante

D. Lebeugle - Physics Department, Trinity College, Dublin 2, Ireland


Co-auteurs :

A. Mougin(2), M. Viret(3), D. Colson(3), J. Allibe(4), H. Béa(5), E. Jacquet(4), C. Deranlot(4), M. Bibes(4), A. Barthélémy(4)

 

(2) - Laboratoire de Physique des Solides, Univ. Paris Sud, UMR CNRS 8502, 91405 Orsay, France ; (3) - CEA Saclay, DSM/IRAMIS/SPEC, Orme des merisiers, 91191 Gif sur Yvette, France ; (4) -Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Route départementale 128, 91767 Palaiseau, France ; (5) - DPMC, Université de Genève, 24 Quai E. Ansermet, 1211 Genève 4, Suisse

 

Le contrôle de l’aimantation d’une couche ferromagnétique par un champ électrique est l’un des nouveaux défis de la spintronique. Ceci permettrait, en effet, la réalisation de mémoires adressables électriquement et magnétiquement.
Les bicouches de BiFeO3/CoFeB1 peuvent apparaître comme l’archétype d’un tel dispositif en mettant à profit le couplage magnéto-électrique à température ambiante du multiferroïque BiFeO32 et le couplage d’échange observé dans les systèmes antiferromagnétique (AFM) / ferromagnétique (FM). Les deux structures étudiées sont constituées d’une couche FM de CoFeB déposée sur un film mince de BFO et d’une couche FM de permalloy pulvérisée sur un monocristal de BFO. Par magnétométrie Kerr, nous sondons de manière indirecte les caractéristiques AFM du BFO via la couche FM. Celle-ci présente un couplage d’échange unidirectionnel avec le BFO matérialisé par le décalage HE du cycle d’hystérésis ainsi que l’augmentation de la coercivité3. Nous montrons que la dépendance angulaire complexe du champ d’échange HE et du champ coercitif HC résulte de la compétition entre l’ anisotropie de la couche AFM et la force du couplage d’échange interfacial. Nous comparons également les propriétés magnétiques de la couche FM (en particulier, la valeur du champ de bias) en fonction de la structure en domaine ferroélectrique de la couche de BFO. L’étude comparative nous permet de déterminer la nature et la localisation des deux types de spins impliqués dans le couplage d’échange. L’ensemble des résultats est confronté à des modélisations numériques.
Par ailleurs, nous avons montré l’influence du champ électrique sur les interactions d’échange dans le système couche FM / cristal de BFO et en particulier, que la rotation de la polarisation électrique dans la couche de BFO induit une rotation de 90° des axes d’anisotropie de la couche FM. Ce résultat représente le premier pas vers la commande électrique de l’ aimantation en utilisant la bifonctionnalité du BFO.

 

Dans la continuité de mes travaux de thèse et de post-doctorat sur les matériaux multiferroïques, je souhaiterais investiguer les propriétés multiferroïques de monocristaux de structure spinelle. La diffraction neutronique est un outil de choix pour l’analyse de structures magnétiques complexes présentes dans certains de ces composés et conduisant parfois à l’apparition de la ferroélectricité. Pour terminer, je présenterai donc le projet de recherche que je propose de mener au Laboratoire Léon Brillouin (LLB, CEA Saclay) dans le cadre de ma candidature CNRS.

 

[1] H. Béa et al., Phys. Rev. Lett., 100, 017204 (2008)
[2] D. Lebeugle, et al. Phys. Rev. Lett., 100, 227602 (2008)
[3] J. Nogués et al., J. Magn. Magn. Mater., 192, 203 (1999)

 

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