La nature bidimensionnelle des matériaux magnétiques de van der Waals (vdW) pourrait permettre de réaliser des dispositifs ultracompacts présentant des interfaces nettes à l'échelle atomique, ouvrant ainsi la voie à des fonctionnalités spintroniques améliorées et ajustables. Jusqu'à présent, ces matériaux sont principalement étudiés sous la forme de fragments micrométriques issus de cristaux massifs, avec un contrôle limité de leur épaisseur et de leurs dimensions latérales. Le développement de méthodes permettant de fabriquer des couches d'épaisseur atomique sur de grandes surfaces est donc devenu essentiel. Par ailleurs, les matériaux magnétiques vdW perdent leur aimantation spontanée, et ainsi leur propriété ferromagnétique, à des températures bien inférieures à la température ambiante lorsqu'ils sont sous leur forme la plus mince.
Les chercheurs du CEA-Irig/SPINTEC sont parvenus à synthétiser, par
épitaxie par jets moléculaires*, des films minces de Fe₅GeTe₂ constitués de plusieurs couches atomiques et dopés au cobalt (Co), sur des surfaces de l'ordre du centimètre carré. Ces films présentent un ferromagnétisme stable bien au-delà de la température ambiante (293–298 K), jusqu'à environ 370 K. En utilisant un substrat de germanium (Ge), les chercheurs ont ensuite réduit progressivement l'épaisseur du matériau jusqu'à obtenir une seule couche atomique. Pour une concentration optimale en Co, cette monocouche reste ferromagnétique jusqu'à environ 200 K, une température remarquable et, à ce jour, inédite pour un matériau 2D de type van der Waals (vdW). En combinant des expériences menées au synchrotron, notamment par
dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD)*, et des
calculs ab initio, les chercheurs ont pu distinguer les contributions magnétiques du fer (Fe) et du cobalt (Co). Ils ont ainsi montré que, bien que les atomes de Co soient eux-mêmes faiblement magnétiques, leur présence renforce le magnétisme des atomes de Fe voisins en augmentant localement les interactions d'échange magnétique. Les simulations ont par ailleurs confirmé que les atomes de Co se substituent directement à certains atomes de Fe dans la structure cristalline. Ce mécanisme explique pourquoi le dopage au Co renforce le ferromagnétisme du Fe₅GeTe₂, quelle que soit l'épaisseur du matériau, jusqu'à la limite d'une seule couche atomique.
© CEA-Irig/SPINTEC/CONCEPTS/ F.Bonell
Figure : À gauche : monocouche de Fe5GeTe2 dopée au cobalt, résolue à l’échelle atomique (microscopie électronique à transmission). À droite: Température de transition magnétique en fonction du degré de dopage. Un maximum est observé quand un atome de fer sur cinq est remplacé par un atome de cobalt.
Ces résultats apportent une meilleure compréhension des mécanismes à l'origine du magnétisme dans les matériaux 2D de van der Waals. Ils ouvrent également de nouvelles perspectives pour leur intégration dans des dispositifs spintroniques de nouvelle génération, grâce notamment à la possibilité de fabriquer des couches ultraminces par croissance épitaxiale.
UMR : SPINTEC (CEA, CNRS, UGA, Grenoble INP) / Spintronique topologique, Théorie / Simulation.
Financements : ANR (ELMAX, NEXT), FLAG-ERA MNEMOSYN, PEPR SPIN (SPINMAT).
Collaborations : ESRF, SOLEIL, Irig/MEM.