Dans la quête de composants électroniques plus compacts et économes en énergie, les hétérostructures multiferroïques – combinant propriétés magnétiques et ferroélectriques – suscitent un fort intérêt. Parmi elles, les empilements NiFe₂O₄/BaTiO₃ présentent des perspectives prometteuses pour la spintronique et les technologies de mémoire. Cependant, à faible épaisseur, ces couches magnétiques présentent une aimantation fortement réduite, un phénomène encore mal compris jusqu'ici.
Dans ce contexte, des chercheurs du laboratoire Nanomatériaux et Optique (LNO) du SPEC, en collaboration avec le synchrotron SOLEIL, se sont penchés sur le système. Ce couple matériau présente un potentiel intéressant pour l'intégration dans des dispositifs fonctionnels, mais souffre d'un phénomène encore mal compris : une perte d'aimantation dans les couches de ferrite de nickel les plus minces, souvent qualifiées de « magnétiquement mortes ».
En combinant des techniques de diffraction des rayons X (sur la ligne DiffAbs) et de dichroïsme magnétique circulaire (sur la ligne DEIMOS), les chercheurs ont analysé la structure cristalline, les contraintes mécaniques et la distribution cationique dans des empilements de différentes épaisseurs. Leurs résultats montrent que les films les plus minces subissent une forte contrainte liée à l'épaisseur de la couche de BaTiO₃, favorisant la formation d'une phase antiferromagnétique indésirable, composée de NiO et FeO, au lieu de la structure spinelle ordonnée attendue.
Cette perte de structure magnétique est également corrélée à une modification de l'état d'oxydation du fer et à la présence de lacunes d'oxygène, comme le confirment les simulations ab initio. Néanmoins, les chercheurs ont montré qu'un traitement thermique à l'air, réalisé à température modérée, permet de rétablir la phase spinelle et de restaurer l'aimantation, même dans les couches les plus minces.
Cette avancée est significative : elle démontre qu'il est possible d'utiliser des hétérostructures magnéto-électriques fonctionnelles à des épaisseurs jusque-là considérées comme trop faibles, en maîtrisant finement les conditions de croissance et de traitement post-croissance. Ces résultats ouvrent ainsi de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs multiferroïques intégrés, plus denses et à plus faible consommation énergétique.
Ce travail a été réalisé dans le cadre de la thèse de Haowen Lin, encadrée par Antoine Barbier (SPEC/LNO) et Cristian Mocuta (Synchrotron SOLEIL), avec le soutien du projet ANR MULTINANO.
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