La quête de couches minces de nouveaux multiferroïques à température ambiante
Alain Pignolet
Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Institut national de la recherche scientifique (INRS)
Résumé: Les multiferroïques sont une classe spéciale de matériaux intelligents qui possèdent à la fois des propriétés ferroélectriques et magnétiques et qui suscitent un vif intérêt pour diverses applications potentielles, allant des dispositifs spintroniques aux nouveaux dispositifs photovoltaïques, en passant par des capteurs magnétiques hautement sensibles opérant à température ambiante et par des mémoires non-volatiles d’un genre nouveau. Cependant, l'obtention de matériaux aux propriétés ferroélectriques et magnétiques suffisantes et robustes à une température égale ou supérieure à la température ambiante pour une intégration dans de nouveaux dispositifs reste difficile à atteindre, notamment sous la forme de films minces de haute qualité, nécessaires aux dispositifs intégrés.
En conséquence, plusieurs stratégies ont été poursuivies dans la quête de films minces de nouveaux matériaux multiferroïques présentant de bonnes propriétés multiferroïques à température ambiante. Une de ces stratégies consiste à faire croître des films d’un matériau connu pour être multiferroïque, mais avec des propriétés pas tout à fait appropriées pour des applications dans des dispositifs réels, et à le modifier (par exemple augmenter sa température de Curie ou améliorer ses propriétés ferroélectriques ou magnétiques). Une autre stratégie consiste à concevoir un matériau composite dont l’un des composants est ferroélectrique et un autre magnétique à la température de fonctionnement. Une autre approche encore consiste à utiliser ou à créer une distorsion structurelle polaire dans un matériau magnétique afin d’induire la pyroélectricité et éventuellement la ferroélectricité.
Un exemple de la première stratégie est la synthèse et la caractérisation de couches minces épitaxiales et de nanostructures de Bi2FeCrO6 (BFCO) ferroélectrique et ferrimagnétique à température ambiante synthétisées par ablation laser pulsé, ainsi que notre compréhension actuelle de leurs propriétés. La deuxième stratégie sera représentée par des couches minces synthétisées par PLD de deux systèmes de matériaux présentant une formation in-situ spontanée d'un nanocomposite multiférroïque, à savoir: (i) des couches épitaxiées nanocomposites (i) de maghemite (epsilon-Fe2O3)/BiFeO3 et (ii) de Ba2LnFeNb4O15 (TTB-Ln) / BaFe12O19 / LnNbO4, avec Ln = Eu ou Sm. La troisième approche sera illustrée par la synthèse par PLD de couches minces épitaxiées de la phase métastable epsilon de la ferrite (epsilon-Fe2O3) et de ε-AlxFe2-xO3 stabilisées au moyen de contraintes épitaxiées. Epsilon-Fe2O3 présente, outre ses propriétés multiferroïques potentielles, une grande anisotropie magnétique à la température ambiante et une fréquence de résonance ferromagnétique (FMR) à la température ambiante dans la plage des bas THz en l'absence de tout champ magnétique, ce qui présente un intérêt pour les communications sans fil à courte distance et des mémoires magnétiques non-volatiles pour ordinateurs ultra-rapides.
Abstract: The Quest for new Room Temperature Multiferroic Thin Films
Multiferroic are a special class of smart materials that exhibit both ferroelectric and magnetic properties and have generated great interest for a variety of applications, ranging from spintronic devices to novel photovoltaic devices, and from cryogenic-free highly-sensitive magnetic sensors to innovative non-volatile memories. However, obtaining materials with ferroelectric and magnetics properties that are sufficiently strong and robust at or above room temperature for potential integration into novel devices remain elusive, in particular under the form of high quality thin films, which is required for integrated devices.
As a result, several strategies have been pursued in the quest of thin films of novel multiferroic materials with good multiferroic properties at room temperature. One such strategy is to grow films of a material known to be multiferroic, but with properties not quite suitable for applications in real devices, and to modify it (e.g. in order to increase its Curie temperature or to improve its ferroelectric or magnetic properties). Another strategy is to engineer a composite material with one component being ferroelectric and a second component being magnetic at the temperature of operation. Yet another approach is use or create a polar structural distortion in a magnetic material to induce pyroelectricity and possibly ferroelectricity.
An example of the first strategy is the growth and characterization of epitaxial thin films and nanostructures of the room temperature ferroelectric and ferrimagnetic Bi2FeCrO6 (BFCO) synthesized by pulsed laser deposition (PLD), as well as our current understanding of their properties. The second scheme will be exemplified by presenting thin film synthesized by PLD of two material systems exhibiting spontaneous in-situ formation of a multiferoic nanocomposite, namely nanocomposite epitaxial films of (i) maghemite (epsilon-Fe2O3)/BiFeO3 and (ii) tetragonal tungsten bronze Ba2LnFeNb4O15 (TTB-Ln) / BaFe12O19 / LnNbO4, with Ln = Eu and Sm. The third approach will be illustrated by PLD-grown epitaxial thin films of metastable epsilon ferrite (epsilon-Fe2O3) and ε-AlxFe2-xO3 stabilized by epitaxial strain. In addition to its potential multiferroic properties, epsilon-Fe2O3 also exhibits a large magnetic anisotropy at room temperature and a ferromagnetic resonance (FMR) frequency at room temperature in the low THz range in the absence of any magnetic field, which is of interest for short-range wireless communications and ultrafast computer non-volatile magnetic memories.
Bio: Doctorat, physique, Laboratoire de Physique des Matériaux Électroniques (EPFL), Suisse
Diplôme d’ingénieur-physicien EPF Études de physique, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Suisse
Professeur à l'INRS ÉMT depuis 2002
Page web d'Alain Pignolet.
Cette conférence est présentée par le RQMP Versant Nord du Département de physique de l'Université de Montréal et de Génie physique de la Polytechnique.
