Projet ANR-11-BS04-0007 – EMA : Nanofils magnétiques en matrice
Programme : Blanc - SIMI 4 - Physique (Blanc SIMI 4)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Franck VIDAL (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B)
Partenaires : Groupe d'Études de la Matière Condensée; Institut des Nanosciences de Paris; Unité de Recherche Soleil
Montant : 681787.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : EMA: Nanofils magnétiques en matriceEtude de la croissance et des propriétés physiques de nanofils ferromagnétiques auto-assemblés dans la gamme de diamètre 1-5 nm.
Elaboration de nanofils ferromagnétiques et intégration dans des hétérostructures épitaxiales-Elaborer des nanofils ferromagnétiques de diamètre compris entre 1 et 5 nm et étudier leurs propriétés électriques et magnétiques. Dans cette gamme de dimensions, le diamètre des nanofils est comparable ou plus petit que des longueurs physiques caractéristiques comme le diamètre critique de retournement par rotation cohérente ou la largueur des parois de domaine. Ceci fait des nanofils des objets très intéressants pour des études originales de nanomagnétisme. -Valider des stratégies d’intégration des nanofils dans des hétérostructures épitaxiales en vue de leur utilisation ultérieure en nano-spintronique. Ceci impliquera à la fois des études de croissance et de traitements post-croissance, comme par exemple : déterminer la stabilité des nanofils sous traitement oxydant et modifier leur aspect par des traitements thermiques.
Croissance / Etude des propriétés physiques / Modifications post-croissanceLe programme de travail se décompose en trois tâches : 1) Croissance et structure : Croissance contrôlée des nanofils : Afin de déterminer les paramètres de contrôle de la croissance et de faire varier diamètre (dans la gamme 1-5 nm) et densité des fils, des études systématiques seront menées en fonction des concentrations relatives des composés et de la température de croissance par diffraction X, spectroscopie d’absorption X à SOLEIL, et microscopie électronique. 2) Propriétés physiques : Nanomagnétisme : Les mesures magnétiques en fonction du diamètre seront effectuées sur le magnétomètre SQUID disponible à l’INSP et le magnétomètre VSM (vibrating sample magnetometer) installé sur la plate-forme NovaTeCs au GEMaC (PPMS, physical properties measurement system, projet lourd C’nano IdF 2008). Les résultats seront confrontés aux modèles existants et à des simulations magnétiques. Transport électrique : Des mesures globales et locales (mesure sur un fil unique) seront effectuées. Ceci nécessite d’initier la croissance sur substrat conducteur, comme SrTiO3 dopé au niobium qui possède les caractéristiques ad hoc pour la croissance épitaxiale des composés envisagés et une bonne conduction électrique. Les mesures de conductivité seront effectuées sur la plate-forme régionale NovaTeCs et par microscopie à force atomique (AFM) à pointe conductrice. 3) Traitements post-croissance : Cette perspective sera examinée en combinant un suivi in situ de l’oxydation par magnéto-optique, ellipsométrie, mesures magnétiques à haute température (400-1000 K), spectroscopie d’absorption X au synchrotron en conditions contrôlées. Ces études bénéficieront du feed-back des observations par microscopie électronique à haute résolution réalisées dans le cadre de la tâche 1).
Résumé de la soumission : La recherche sur la croissance, les propriétés physiques et l’intégration dans des dispositifs fonctionnels de nanofils (NF) ferromagnétiques (FM) s’est intensifiée ces dernières années. Leur aspect (diamètre de 10-100 nm, longueur pouvant dépasser 1 micron) confère aux NF des propriétés magnétiques originales, dominées par des effets de forme. Ces nano-objets pourraient ainsi être utilisés comme briques de base dans des dispositifs de stockage de l’information. Ils sont également intéressants dans le domaine de la spintronique : la structuration le long de leur axe (NF Co/Cu/Co, par exemple) a permis de mettre en évidence des effets de magnéto-résistance géante (GMR). Malgré les perspectives offertes par de tels objets, il reste encore des verrous à lever en vue de leur utilisation dans des dispositifs, comme par exemple leur intégration dans des hétérostructures fonctionnelles épitaxiales. Franchir une telle étape permettrait d’envisager des études originales en nano-spintronique. Des progrès peuvent également être réalisés sur la réduction de taille des NF, par le choix de la technique d’élaboration. Les méthodes utilisées le plus couramment permettent difficilement de réduire leur diamètre en dessous de ~5-7 nm. L’étude des propriétés magnétiques dans la gamme de dimensions 1-5 nm est novatrice et s’avère très excitante. Les méthodes courantes utilisées pour élaborer des assemblées de nanofils consistent à remplir les pores d’un gabarit avec un matériau ferromagnétique. Le gabarit est constitué de polymères ou d’alumine poreuse et le remplissage des pores s’effectue le plus souvent par électro-déposition. Ces techniques d’élaboration permettent notamment d’obtenir des assemblées de nanofils relativement ordonnées, des longueurs de fils élevées (supérieures au micron) ainsi que des nanofils hybrides, constitués d’empilements alternés de deux métaux (e.g. Co/Cu pour la GMR). Cependant, elles présentent certaines limitations : le diamètre des fils est supérieur à ~5-7 nm ; la densité des fils est assez élevée ; l’intégration épitaxiale est difficile. Nous avons démontré récemment la possibilité d’obtenir des assemblées de nanofils ferromagnétiques de diamètre très faible (3 nm). Ces NF se forment spontanément durant la croissance de couches épitaxiales de CeO2 contenant du cobalt déposées par ablation laser pulsée (PLD, pulsed laser deposition) sur SrTiO3(001). Ces résultats préliminaires prometteurs constituent le point de départ de ce projet. Etant donné ce contexte, les objectifs poursuivis par ce projet sont : -Elaborer des nanofils ferromagnétiques de diamètre compris entre 1 et 5 nm et étudier leurs propriétés électriques et magnétiques. Dans cette gamme de dimensions, le diamètre des nanofils est comparable ou plus petit que des longueurs physiques caractéristiques comme le diamètre critique de retournement par rotation cohérente ou la largueur des parois de domaine. Ceci fait des NF des objets très intéressants pour des études originales de nanomagnétisme. -Valider des stratégies d’intégration des nanofils dans des hétérostructures épitaxiales en vue de leur utilisation ultérieure en nano-spintronique. Ceci impliquera à la fois des études de croissance et de traitements post-croissance, comme par exemple : déterminer la stabilité des NF sous traitement oxydant et modifier leur aspect par des traitements thermiques (transformation d’un fils en chaîne de clusters via l’instabilité de Rayleigh ?).
Résultats : 1.	Mechanism of Localization of the Magnetization Reversal in 3 nm Wide Co Nanowires
F. Vidal, Y. Zheng, P. Schio, F. J. Bonilla, M. Barturen, J. Milano, D. Demaille, E. Fonda, A. J. A. de Oliveira, V. H. Etgens
Physical Review Letters 109 (2012) 117205
Etude fondamentale sur le lien entre structure et propriété magnétiques dans des nanofils de cobalt de diamètre 3 nm qui a permis de montrer la relation entre variation axiale de l’anisotropie et nucléation du renversement localisé de l’aimantation.
2.	Combinatorial Growth and Anisotropy Control of Self-Assembled Epitaxial Ultrathin Alloy Nanowires
F.J. Bonilla, A. Novikova, F. Vidal, Y. Zheng, E. Fonda, D. Demaille, V. Schuler, A. Coati, A. Vlad, Y. Garreau, M. Sauvage-Simkin, Y. Dumont, S. Hidki, V.H. Etgens
ACS Nano 7 (2013) 4022
Mise au point une nouvelle technique d’élaboration de nanofils d’alliage épitaxiés en matrice. La technique d’élaboration utilisée repose sur une approche combinatoire de l’ablation par laser pulsé. En déposant de façon séquentielle, en proportions contrôlées dans un régime sous-monocouche, du Co, du Ni et de l’oxyde de cérium sur un substrat de SrTiO3(001), il est possible d’obtenir des nanofils (de diamètre 4 nm) auto-assemblés d’alliage CoxNi1-x en épitaxie dans une matrice monocristalline de CeO2/SrTiO3(001).
Perspectives : Integration epitaxiale de nanofils dans des dispositifs fonctionnels pour des études fondamentales en nanomagnétisme et spintronique.
Publications et brevets : 1.	Mechanism of Localization of the Magnetization Reversal in 3 nm Wide Co Nanowires
F. Vidal, Y. Zheng, P. Schio, F. J. Bonilla, M. Barturen, J. Milano, D. Demaille, E. Fonda, A. J. A. de Oliveira, V. H. Etgens
Physical Review Letters 109 (2012) 117205
2.	Combinatorial Growth and Anisotropy Control of Self-Assembled Epitaxial Ultrathin Alloy Nanowires
F.J. Bonilla, A. Novikova, F. Vidal, Y. Zheng, E. Fonda, D. Demaille, V. Schuler, A. Coati, A. Vlad, Y. Garreau, M. Sauvage-Simkin, Y. Dumont, S. Hidki, V.H. Etgens
ACS Nano 7 (2013) 4022
3.	Grain structure and magnetic relaxation of self-assembled Co nanowires
P. Schio, F.J. Bonilla, Y. Zheng, D. Demaille, J Milano, A.J.A. de Oliveira, F. Vidal
J. Phys.: Condens. Matter 25 (2013) 056002