Renforcer le magnétisme à l'échelle atomique
Composés d'une ou de quelques couches d'atomes, les matériaux bidimensionnels (2D) de type van der Waals* offrent des perspectives intéressantes pour concevoir des composants électroniques toujours plus petits et plus performants. En particulier, des composants pour la spintronique*, qui exploite non seulement la charge électrique des électrons, mais aussi leur spin, une propriété quantique à l'origine du magnétisme des matériaux.
Jusqu'à présent, l'utilisation des matériaux magnétiques 2D restait toutefois limitée par leur difficulté à conserver leurs propriétés ferromagnétiques* à température ambiante lorsqu'ils sont réduits à une seule couche atomique.
Pour dépasser cette limite, les chercheurs du CEA-Irig ont synthétisé, par épitaxie par jets moléculaires*, des films ultraminces de Fe₅GeTe₂, un matériau magnétique, en y incorporant des atomes de cobalt. Grâce à cette méthode, ils ont obtenu des films dont le ferromagnétisme reste stable jusqu'à environ 370 K, soit 97 °C. Ils ont également réussi à réduire le matériau à une seule couche atomique, qui conserve ses propriétés ferromagnétiques jusqu'à 200 K (-73 °C), un record pour les matériaux 2D.
Le cobalt, un allié du fer
Pour comprendre l'origine de cette amélioration, les chercheurs ont combiné des expériences menées au synchrotron, notamment par dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD)*, et des calculs ab initio. Ils ont ainsi montré que le cobalt renforce le magnétisme des atomes de fer voisins et intensifie les interactions magnétiques au sein du matériau.
L'effet est maximal lorsqu'un atome de fer sur cinq est remplacé par un atome de cobalt. Ce mécanisme permet d'améliorer les propriétés magnétiques du matériau, même lorsqu'il ne reste qu'une seule couche atomique.
Ces résultats apportent un nouvel éclairage sur les mécanismes qui gouvernent le magnétisme dans les matériaux 2D. Ils ouvrent également des perspectives pour la fabrication de couches ultraminces sur de grandes surfaces et leur intégration dans des composants spintroniques de nouvelle génération.
Matériaux bidimensionnels (2D) de type van der Waals* : matériaux constitués d'une ou de quelques couches atomiques seulement, dans lesquels les atomes sont fortement liés au sein de chaque couche, tandis que les différentes couches sont maintenues entre elles par des forces de van der Waals, beaucoup plus faibles, qui permettent de séparer ou empiler les couches et de contrôler leur nombre jusqu'à atteindre une seule couche atomique.
Spintronique* : domaine de l'électronique qui exploite la charge électrique des électrons, mais également leur spin, une propriété quantique associée à leur moment magnétique, qui permet de stocker, transporter ou encore traiter l'information.
Propriétés ferromagnétiques* : capacité d'un matériau à présenter une aimantation spontanée et à conserver une partie de cette aimantation lorsque le champ magnétique extérieur est supprimé.
Epitaxie par jets moléculaires* : technique qui consiste à envoyer dans une enceinte sous vide un faisceau d'atomes qui se déposent progressivement sur un substrat, faisant croître des couches cristallines ultrafines, couche par couche.
Dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD)* : technique qui sonde les propriétés magnétiques des atomes d'un matériau en permettant de caractériser séparément les différents éléments chimiques.