La spintronique moléculaire est un domaine en pleine effervescence à l’interface physique/chimie. L’idée est de combiner le potentiel de la spintronique à celui de l’électronique moléculaire/organique. Au-delà des arguments génériques tels que la flexibilité, les faibles coûts de production, c’est surtout l’attrait de l’ingénierie chimique à l’échelle moléculaire et l’espérance d’obtenir de longs temps de vie de spin et longueurs de diffusion de spin) qui ont motivés l’étude de dispositifs de spintronique hybrides intégrant des composés organiques et moléculaires. Nous avions démarré cette activité interdisciplinaire par l’étude du transport dépendant du spin à travers des couches minces de semi-conducteurs organiques. Elle s’est depuis étendue aux monocouches moléculaires auto-assemblées (SAMs) et au graphène.
Spintronique avec des molécules
Nous avons en premier lieu abordé l’aspect flexible et démontré pour la première fois la réalisation de jonctions tunnel magnétiques sur substrats souples conservant leurs propriétés de transport après torsion (APL2010). Nous nous sommes par ailleurs fortement intéressés aux phénomènes incompris d’injection de spin dans les semi-conducteurs organiques (OSCs). Nous avons fabriqué des nanodispositifs (sondes locales) tunnel à base de semi-conducteurs organiques afin d’étudier l’interface métal ferromagnétique/OSC. Nous avons démontré de forts effets de MR (>300%) en utilisant l’OSC Alq3 (coll. Bologne), au dela de l’état de l’art, et développé un modèle d’injection de spin dans les molécules ouvrant la voie à l’ingénierie moléculaire de dispositifs de spintronique aujourd’hui appelée « spinterface » (Nature Physics 2010).
Figure 1 : Schémas illustrant l’hybridation dépendante du spin à l’interface métal ferromagnétique/molecule (Spinterface) où selon la valeur du couplage une inversion ou une augmentation de la polarisation de spin peut être obtenue. Exemples d’inversion et d’augmentation de la magnétorésistance tunnel dans des jonctions tunnel magnétiques moléculaires LSMO/Alq3/Co et Co/CoPc/Co. D’après Clément Barraud et al. Nature Physics 6, 615 (2010) et Phys. Rev. Lett. 114, 206603 (2015).
Afin de développer ces effets de spintronique d’interface nous avons ensuite entamé l’étude de molécules de phthalocyanines (coll. Strasbourg) et d’un système modèle pour l’ingénierie à l’échelle moléculaire : les SAMs. Nous avons dans un premier temps développé un protocole de greffage de ces SAMs sur des oxydes ferromagnétiques (ACS Nano 2012) puis fabriqué des nanojonctions tunnel magnétiques. Les démonstrations, pour la première fois, de la présence claire d’une forte MR (observée pour plusieurs longueurs de chaine alkyle) et sa particularité de se maintenir à forte tension (>2V) mettent en évidence le fort potentiel de ces SAMs (Advanced Materials 2012)).
Figure 2 : Schéma d’un nano-contact LSMO/SAMs/Co et courbe de magnétorésistance tunnel obtenue à basse température. D’après Marta Galbiati, Clément Barraud, Sergio Tatay et al., ACS Nano 6, 8753 (2012) et Adv. Mater. 24, 6429 (2012).
Spintronique avec graphène
Malgré deux décennies de recherche intense l’avènement du spin comme vecteur de l’information pour l’électronique à faible consommation de demain s’est heurté à un paradoxe : alors même que l’information de spin est la plus prisée dans le stockage pour son caractère non-volatile, elle s’est révélée être des plus volatiles lorsqu’on cherche à la transporter.
Dans la recherche d’une d’un matériau servant de media pour l’information de spin et la spintronique nous avons entrepris l’étude du transport dépendant du spin dans le graphène. L’idée était de s’appuyer sur le fait que ce matériau possède deux avantages majeurs : le carbone qui le compose présente un couplage spin-orbite très faible (principale source de relaxation du spin) et les mobilités observées sont très élevées. Il était ainsi attendu que la longueur de diffusion de spin dans le graphène soit bien plus élevée que dans les métaux et semi-conducteurs classiques, avec des prédictions à plus de 100 µm. Nous avons pu élaborer des barrières tunnel pour l’injection dans le graphène (APL2010) et pu obtenir pour la première fois des signaux de spin élevés dans le graphène avec des ΔR de l’ordre du mega-Ohm. Ceci a permis de démontrer le transport très efficace du spin (75% du cas idéal) dans du graphène epitaxial sur SiC (coll. Antlanta/Grenoble) avec des longueurs de diffusion de spin excédant 100 µm (Nature Physics 2012). Ces travaux ouvrent potentiellement la voie au traitement de l’information de spin. Nos résultats sont d’ailleurs aujourd’hui repris par Intel dans leur « materials for all-spin-logics ».
Figure 3 : Image d’une structure latérale Co/Al2O3/graphène et courbe de MR illustant une injection de spin efficace dans du graphène épitaxié.
En parallèle, et faisant suite à un brevet que nous avions déposé, nous avons étudié l’utilisation du graphène CVD (coll. Cambridge) comme couche de protection pour la fabrication d’électrodes ferromagnétiques protégées de l’oxydation et compatible avec des procédés humides. Nous avons pu démontrer qu’une unique couche de graphène passivait effectivement la surface de nickel. De plus, nous avons mis en évidence que l’interface nickel/graphène agissait comme un filtre à spin pour le transport vertical avec à l’arrivée une polarisation de spin inversée par rapport au nickel seul (ACS Nano 2012).
Figure 4 : Schéma d’une jonction tunnel intégrant une électrode de Ni passivée par du graphène et courbe de MR montrant un filtrage de spin à l’interface Ni/graphène.
Articles sur la spintronique avec des semi-conducteurs organiques :
C. Barraud, P. Seneor, R. Mattana, S. Fusil, K. Bouzehouane, C. Deranlot, P. Graziosi, L. Hueso, I. Bergenti, V. Dediu, F. Petroff, and A. Fert. Unravelling the role of the interface for spin injection into organic semiconductors. Nature Physics 6, 615 (2010)
C. Barraud, K. Bouzehouane, C. Deranlot, S. Fusil, H. Jabbar, J. Arabski, R. Rakshit, D. - J. Kim, C. Kieber, S. Boukari, M. Bowen, E. Beaurepaire, P. Seneor, R. Mattana, and F. Petroff. Unidirectional Spin-Dependent Molecule-Ferromagnet Hybridized States Anisotropy in Cobalt Phthalocyanine Based Magnetic Tunnel Junctions. Phys. Rev. Lett. 114, 206603 (2015)
M. Galbiati, S. Tatay, S. Delprat, H. L. Khanh, B. Servet, C. Deranlot, S. Collin, P. Seneor, R. Mattana, and F. Petroff. Is spin transport through molecules really occurring in organic spin valves ? A combined magnetoresistance and inelastic electron tunnelling spectroscopy study. Appl. Phys. Lett. 106, 082408 (2015)
C. Barraud, K. Bouzehouane, C. Deranlot, D. - J. Kim, R. Rakshit, S. Shi, J. Arabski, M. Bowen, E. Beaurepaire, S. Boukari, F. Petroff, P. Seneor, R. Mattana, Phthalocyanine based molecular spintronic devices. Dalton Transactions. 45, 16694-16699 (2016)
Articles sur la spintronique avec des monocouches auto-assemblées de molécules :
S. Tatay, C. Barraud, M. Galbiati, P. Seneor, R. Mattana, K. Bouzehouane, C. Deranlot, E. Jacquet, A. Forment-Aliaga, P. Jegou, A. Fert, and F. Petroff. Self-Assembled Monolayer-Functionalized Half-Metallic Manganite for Molecular Spintronics. ACS Nano 6, 8753 (2012)
M. Galbiati, C. Barraud, S. Tatay, K. Bouzehouane, C. Deranlot, E. Jacquet, A. Fert, P. Seneor, R. Mattana, and F. Petroff. Unveiling Self-Assembled Monolayers’ Potential for Molecular Spintronics : Spin Transport at High Voltage. Adv. Mater. 24, 6429 (2012)
Marta Galbiati, Sophie Delprat, Michele Mattera, Samuel Mañas-Valero, Alicia Forment-Aliaga, Sergio Tatay, Cyrile Deranlot, Pierre Seneor, Richard Mattana, and Frédéric Petroff. Recovering ferromagnetic metal surfaces to fully exploit chemistry in molecular spintronics. AIP Advances 5, 057131 (2015)
M. Galbiati, S. Tatay, S. Delprat, C. Barraud, V. Cros, E. Jacquet, F. Coloma, F. Choueikani, E. Otero, P. Ohresser, N. Haag, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, P. Seneor, R. Mattana, and F. Petroff. Influence of alkylphosphonic acid grafting on the electronic and magnetic properties of La2/3Sr1/3MnO3 surfaces. Applied Surface Science 353, 24 (2015)
S. Tatay, M. Galbiati, S. Delprat, C. Barraud, K. Bouzehouane, S. Collin, Cyrile Deranlot, E. Jacquet, P. Seneor, R. Mattana, F. Petroff. Self-assembled monolayers based spintronics : from ferromagnetic surface functionalization to spin-dependent transport. Journal of Physics : Condensed Matter. 28, 094010 (2016)
Articles sur la spintronique avec du graphène :
B. Dlubak, P. Seneor, A. Anane, C. Barraud, C. Deranlot, D. Deneuve, B. Servet, R. Mattana, F. Petroff, and A. Fert. Are Al2O3 and MgO tunnel barriers suitable for spin injection in graphene ?. Appl. Phys. Lett. 97, 092502 (2010).
B. Dlubak, M. - B. Martin, C. Deranlot, K. Bouzehouane, S. Fusil, R. Mattana, F. Petroff, A. Anane, P. Seneor, and A. Fert. Homogeneous pinhole free 1 nm Al2O3 tunnel barriers on graphene .Appl. Phys. Lett. 101, 203104 (2012)
B. Dlubak, M. - B. Martin, C. Deranlot, B. Servet, S. Xavier, R. Mattana, M. Sprinkle, C. Berger, W. A. De Heer, F. Petroff, A. Anane, P. Seneor, and A. Fert. Highly efficient spin transport in epitaxial graphene on SiC. Nature Physics 8, 557 (2012)
B. Dlubak, M. - B. Martin, R. S. Weatherup, H. Yang, C. Deranlot, R. Blume, R. Schloegl, A. Fert, A. Anane, S. Hofmann, P. Seneor, and J. Robertson. Graphene-Passivated Nickel as an Oxidation-Resistant Electrode for Spintronics. ACS Nano 6, 10930 (2012)
M. - B. Martin, B. Dlubak, R. S. Weatherup, H. Yang, C. Deranlot, K. Bouzehouane, F. Petroff, A. Anane, S. Hofmann, J. Robertson, A. Fert, and P. Seneor. Sub-nanometer Atomic Layer Deposition for Spintronics in Magnetic Tunnel Junctions Based on Graphene Spin-Filtering Membranes. ACS Nano 8, 7890 (2014)
Revues :
P. Seneor, B. Dlubak, M. - B. Martin, A. Anane, H. Jaffres, and A. Fert. Spintronics with graphene. MRS Bulletin 37, 1245 (2012)
M. Galbiati, S. Tatay, C. Barraud, A. V. Dediu, F. Petroff, R. Mattana, and P. Seneor, Spinterface : Crafting spintronics at the molecular scale. MRS Bulletin 39, 602 (2014)