Etude des propriétés physiques des deux systèmes potentiellement demi-métalliques Fe3O4 et Fe1.5Ti0.5O3-δ sur SrTiO3 par dépôt laser pulsé (PLD)

Les films minces de systèmes oxydes complexes à base de fer, ont suscité d’intenses recherches du fait de leur potentiel dans le domaine de l’électronique de spin à température ambiante (et au-delà) à la fois en tant qu’injecteur, barrière tunnel, vanne de spin, etc. Parmi ces oxydes, la magnétite (Fe3O4) de structure cubique spinelle inverse, très étudiée, présente la particularité d’une structure de bande prédite demi-métallique [1], et donc potentiellement d’une polarisation de spin de 100%. D’autre part la solution solide Ilménite-Hématite (Fe2-xTixO3-δ, pour x=1.5 ; FTO) est prédite également être un demi-métal [2]. L’étude FTO/Al2O3(0001), réalisée au GEMaC, a montré la forte influence de la pression d’oxygène lors de la croissance, à la fois sur l’ordre atomique des Fe et des Ti dans l’ilménite pure FeTiO3-δ [3] et sur les propriétés semi-conductrices et magnétiques du Fe1.5Ti0.5O3-δ (FTO) [4]. Ce dernier possède une température de Curie supérieure à 450K et les lacunes d’oxygène induisent des porteurs de type n (densité de ~1018 cm-3 et mobilité de quelques cm2V-1s-1).

Nous avons étudié les deux systèmes Fe3O4 et FTO sur le substrat cubique pérovskite SrTiO3 (STO), isostructural pour Fe3O4 et non-isostructural pour FTO, dans un contexte d’absence de résultats sur la croissance de FTO/STO et peu de travaux sur celle de Fe3O4/STO [5, 6].

La croissance sous TS= 730°C, et PO2≈ 10-7 Torr montre un film monophasé avec une symétrie R(-3), et un comportement ferrimagnétique avec une température au-delà de la température ambiante. Les pressions plus élevées entrainent une symétrie R(-3)c et un comportement faiblement ferrimagnétique, avec une aimantation de saturation beaucoup plus faible que celui de la phase ordonnée [7]

Les films minces épitaxiés de Fe3O4(100) épitaxiés sur STO(100) ont été obtenus pour une gamme de température de substrat entre Ts=430°C et 510°C. La mesure de la température de Verwey à l’aide des courbes d’aimantation ZFC-FC ainsi que la valeur de l’aimantation à saturation à température ambiante (4.0 µB/Fe3O4) et la température de Curie (TC= 850K), caractéristiques de la magnétite massive, montrent que l’on a très majoritairement formation de la magnétite.

[1] Z. Zhang and Satpathy, Phys. Rev. B 44, (1991) 13319
[2] W. H. Butler, A. Bandyopadhyay and R. Srinivasan, J. Appl. Phys., 93 (2003) 7882
[3] E. Popova, B. Warot-Fonrose, H. Ndilimibaka, M. Bibes, N.Keller, B. Berini,K. Bouzehouane and Y. Dumont, J. Appl. Phys., 103 (2008) 093909
[4] H. Ndilimibaka, Y. Dumont, E. Popova, P. Desfonds, F. Jomard, N. Keller, M. Basletic, K. Bouzehouane, M. Bibes and M. Godlewski, J. Appl. Phys., 103 (2008) 07D137; H. Ndilimabaka thèse de l’Université de Versailles St Quentin en Y. déc 2008.
[5] S. Kale, S. M. Bhagat, S. E. Lofland, T. Scabarozi, S. B. Ogale, A. Orozco, S. R. Shinde, T. Venkatesan, B. Hannoyer, B. Mercey and W. Prellier, Phys. Rev. B 64, (2001) 205413
[6] B. Carvello and L. Ranno, J. Magn. Magn. Mater.272 (2004) 1926
[7] A. Hamie, Y. Dumont, E. Popova , J. Scola, A. Fouchet, B. Berini and N. Keller, J. Appl. Phys. 108 (2010) 093710