1) Semiconducteurs magnétiques dilués à base de ZnO

Des hétérostructures à base de ZnMnO/ZnO et ZnCoO/ZnO sont étudiées au CRHEA comme briques de base pour une spintronique toute-oxyde. Lors de l’épitaxie de ces matériaux par Epitaxie sous Jets Moléculaires (EJM) certaines particularités ont été observées, comme l’effet de « lissage » lors de l’incorporation de Co, figure 4a, ou l’effet catalytique du Mn sur la décomposition de l’oxygène. Ce dernier effet est clairement mis en évidence par une augmentation significative de la vitesse de croissance du ZnMnO par rapport au matériau binaire. Pour les études magnéto-optiques, ces hétérostructure ont été fabriquées sur des substrats saphir, d’orientation a et c, ainsi que sur des substrats de ZnO massif. Par ailleurs, des puits quantiques ont été introduits pour exalter les effets magnétiques liés à la présence des atomes Mn ou Co.

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Images meb d'une couche de ZnCoO sur saphir
Figure 1 : (a) Images par microscopie électronique à balayage d’une couche de ZnCoO sur saphir ; (b) Vitesse de croissance de l’alliage ZnMnO en fonction de la concentration de Mn dans l’alliage final
Publications récentes :

⋄ Reflectivity and Photoreflectivity Spectra of Structures with Quantum Wells Based on ZnO

A.M. Klyuev, N.G. Filosofov, A. Yu Serov, V.F. Agekyan, C. Morhain, V.P. Kochereshko
Phys. Solid State, 62(11), 2012-2015, (2020) - Papier régulier

⋄ Excitons in ZnO Quantum Wells

M.N. Bataev, N.G. Filosofov, A. Yu. Serov, V.F. Agekyan, C. Morhain, V.P. Kochereshko
Phys. Solid State, 60, 2628–2633, (2019) - Papier régulier

2) Nitrures de terres rares

Dans le domaine de la spintronique plusieurs types d’architectures ont été proposées: métal ferromagnétique/semiconducteur, semiconducteurs magnétiques dilués, ou encore semiconducteurs magnétiques.
L’activité développée au CRHEA a pour objectif la fabrication et caractérisation d’hétérostructures à base de nitrures de terres rares (NTRs). Les NTR ont la particularité, à basse température, d’être à la fois un composé semiconducteur et magnétique. Au laboratoire, l’élaboration des NTR est obtenue à l’aide d’un bâti d’épitaxie par jets moléculaires (EJM), Riber 32p. Les NTR cristallisent dans la structure cubique du chlorure de sodium (NaCl) et s’agit donc des composés binaires entre un élément de la colonne des lanthanides et un atome d’azote. Les matériaux développés au CRHEA sont le nitrure de samarium (SmN) et le nitrure de gadolinium (GdN), qui possèdent des propriétés électriques et magnétiques remarquables. L’évaporation des terres rares Gd et Sm est réalisée à l’aide d’une cellule d’effusion. L’azote atomique peut provenir soit d’un gaz précurseur, l’ammoniac (NH3), mais peut-être aussi obtenu par effet catalytique entre l’azote moléculaire et les lanthanides (dans notre cas le Gd et Sm). L’image au microscope électronique à balayage (figure 2(a)) montre un exemple de couche épitaxiale élaborée par EJM sur une couche tremplin AlN sur silicium (111). Les épaisseurs de NTR sont de l’ordre de 100-200 nm, alors que la couche d’encapsulation de GaN permet de passiver les NTR, étant donné qu’ils ont l’inconvénient d’être très réactifs au contact de l’air. Comme illustré par les diffractogrammes de la figure 2(b), les matériaux ainsi obtenus sont monocristallins, ce qui illustre bien l’intérêt de l’EJM pour le développement de cette filière.

Images meb d'une couche de de GdN sur un tremplin 
		 AlN/Si(111)
Figure 2 : (a) Images par microscopie électronique à balayage d’une couche de GdN sur un tremplin AlN/Si(111),et (b) mesure /ω de la couche montrée en (a)
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⋄ Enhanced Sm spin projection in GdxSm1−xN

J. D. Miller, J. F. McNulty, B. J. Ruck, M. Al Khalfioui, S. Vézian, M. Suzuki, H. Osawa, N. Kawamura, and H. J. Trodahl
Phys. Rev. B, 106, 174432, (2022) - Papier régulier

⋄ Experimental and ab initio study of Mg doping in the intrinsic ferromagnetic semiconductor GdN

C.-M. Lee, J. Schacht, H. Warring, H. J. Trodahl, B. J. Ruck, S. Vézian, N. Gaston, and F. Natali
J. Appl. Phys., 123, 115106, (2018) - Papier régulier