La spintronique mise un nouveau matériau biface

Publié par Redbran le 11/06/2021 à 13:00
Source: CEA IRIG

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Un nouveau matériau biface Janus SPtSe a été conçu par les chercheurs de l'Irig pour des applications potentielles dans le domaine des mémoires magnétiques et ferroélectriques. Ce matériau bidimensionnel fait partie de de la famille des dichalcogénures (atomes de S, Se ou Te) de métaux de transition (TMDC), qui sont recherchés pour leurs propriétés électroniques, photoniques, catalytiques ou magnétiques, intimement liées aux détails de leur structure 2D.

La problématique [i]in fine
de cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) est d'intensifier le couplage spin-orbite de Rashba dans les TMDC, couplage qui génère une accumulation de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) à partir d'un simple courant de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) circulant dans le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) (Figure 1). Les spins qui s'accumulent dans la couche vont pouvoir diffuser pour former un courant de spins qui va être absorbé par une couche magnétique en contact avec le TMDC, ce qui entraîne l'inversement de l'aimantation de cette couche. Grâce au couplage spin-orbite de Rashba, l'application d'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...) permet d'orienter l'aimantation de la couche magnétique et ainsi d'écrire un bit d'information "0" ou "1". Plus le couplage Rashba est fort, plus le courant de spin généré est intense et permet de renverser facilement l'aimantation de la couche, et donc de limiter la consommation d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de ce type de mémoires magnétiques.


Figure 1. Effet du couplage spin-orbite de Rashba dans une couche de TMDC et écriture de la couche magnétique.

Intrinsèquement, le TMDC PtSe2 possède une forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) spin-orbite (grâce aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) lourds de platine). Cependant, il résidait un problème majeur dans le choix de ce matériau à cause de sa structure symétrique verticale (La verticale est une droite parallèle à la direction de la pesanteur, donnée notamment par le...) qui limite le couplage Rashba. En effet, SePtSe est composé de deux couches identiques de chalcogène (La famille des chalcogènes (du grec ancien chalcos "minerais" et gena "naissance") est...) Se enveloppant une couche centrale de métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) Pt (Figure 2, en bas à gauche). Les chercheurs de l'Irig ont réussi à lever cet obstacle en substituant les atomes de Se dans la couche supérieure, au moyen d'une sulfuration contrôlée sous atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de H2S, pour en faire un matériau bidimensionnel asymétrique, dit Janus S/Pt/Se (Figure 2, en bas à droite). Ce nouveau matériau présente un fort couplage Rashba.


Figure 2. Schéma de la transformation de PtSe2en SPtSe.
Atomes: Pt en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...), Se en orange, S en jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même...).

Afin de former le Janus SPtSe, le matériau TMDC PtSe2 est d'abord chauffé à 370 °C pour générer des lacunes dans la couche supérieure. Cette couche est alors exposée à une température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) contrôlée de 350 °C sous atmosphère de H2S pour combler ces lacunes et obtenir la substitution du Se par S. En refroidissant, le nouveau composé 2D se réordonne. Il est évidemment nécessaire de maîtriser parfaitement les étapes de formation des couches d'atomes S, Pt, et Se afin d'exploiter au mieux les propriétés du Janus SPtSe du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) de la spintronique. Ces étapes ont été étudiées grâce aux moyens spécifiques de caractérisation qui existent au sein de l'Irig. Les étapes de formation du composé Janus ont ainsi été méthodiquement caractérisées in situ et operando par diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) des rayons X synchrotron (Le terme synchrotron désigne un grand instrument électromagnétique destiné...) en incidence rasante à l'ESRF. La composition atomique biface Janus a, elle, été vérifiée ex situ par spectroscopie de photoémission des rayons X résolue en angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...).

Ce composé Janus est une première réalisation expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) dont le fort couplage spin-orbite de Rashba pourrait améliorer l'efficacité en écriture des mémoires magnétiques à couple de spin de type SOT-MRAM et ainsi limiter la consommation d'énergie nécessaire.

Notes:

Janus. La référence au Dieu grec à deux faces Janus est due à la structure typique du matériau dans lequel les deux couches de chalcogène (S et Se) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de la couche de Pt ont une nature chimique différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...).

Couplage spin-orbite de Rashba. Cet effet relativiste, dans lequel un champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...) est ressenti comme un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) par le couplage spin-orbite, permet de générer un courant de spin à partir d'un courant de charge. Il permet en quelque sorte de trier dynamiquement les spins (up et down) dans le matériau. Par exemple, dans le SPtSe, la rupture de symétrie par rapport au plan d'atomes de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) crée un dipôle électrique (Le dipôle électrique est un conducteur électrique possédant deux bornes.) vertical (Le vertical (rare), ou style vertical, est un style d’écriture musicale consistant en...). Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique ainsi créé, couplé au platine qui est un élément lourd, génère un fort couplage spin-orbite de Rashba. De cette façon, une telle monocouche pourrait servir dans une mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir...) magnétique de type [i]SOT-MRAM (Spin-Orbit Torque Magnetic Random-Access Memory) pour l'écriture de la couche magnétique de stockage.[/i]

Références:
Sant R, Gay M, Marty A, Lisi S, Harrabi R, Vergnaud C, Dau MT, Weng X, Coraux J, Gauthier N, Renault O, Renaud G and Jamet M
Synthesis of epitaxial monolayer Janus SPtSe.
npj 2D Materials and Applications, 2020.
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