Les sources THz intenses et compactes dans la gamme des micro-ondes à l’infrarouge lointain font l’objet de recherches et développements importants. En effet, peu énergétique et non-ionisant, ce rayonnement trouve de nombreuses applications dans l’imagerie médicale, l’identification de molécules, ou bien dans le domaine de la sécurité.
En 2016 est apparu un nouveau principe de génération d’ondes THz basé sur la conversion ultrarapide du courant de spin en courant de charge. L’émetteur THz résultant, dit « spintronique », est aussi intense que d’autres types de source et présente l’avantage d’être à large bande de fréquences. De plus, il constitue un formidable outil pour caractériser et quantifier les mécanismes de conversion du spin en charge dans les matériaux.
C’est ainsi que des chercheurs de l'Irig ont analysé l’émission THz selon la nature, la symétrie et le nombre de couches de matériaux 2D.
La structure des matériaux 2D leur confère de nombreux avantages comme la réalisation de dispositifs ultra compacts plus simples à mettre en œuvre que les matériaux 3D, en particulier par gravure rapide, en consommant moins de matière pour une électronique plus durable. Par ailleurs, leur grande sensibilité à l’environnement chimique ou électrique permet de moduler facilement leurs propriétés électroniques comme le couplage spin-orbite, clef de la conversion spin-charge. La fabrication d’hétérostructures aux interfaces parfaites grâce à l'empilement de couches 2D avec des liaisons de type van der Waals, offre un nombre infini de combinaisons de matériaux pour optimiser ces effets, et donc l’émission THz. Plus largement, l’étude fondamentale des effets de conversion du courant de spin en courant de charge dans les matériaux 2D est indispensable avant d’envisager leur intégration dans des dispositifs spintroniques, par exemple des mémoires magnétiques ou des capteurs.
Cependant, deux obstacles freinent le développement de telles sources THz : la fabrication de matériaux 2D sur de grandes surfaces, et le contrôle de l’interface entre le matériau 2D et l’électrode ferromagnétique. En effet, les matériaux 2D de laboratoire sont généralement de taille réduite car presque exclusivement réalisés à partir de flocons micrométriques exfoliés mécaniquement d’un matériau massif. De plus, l’interface entre le matériau 2D et le matériau ferromagnétique, source du courant de spin, n’est pas bien définie : la croissance de l'électrode ferromagnétique sur le matériau 2D entraîne des réactions chimiques d’interface et de l’interdiffusion atomique. Cependant, les chercheurs sont parvenus à dépasser ces deux obstacles pour étudier les mécanismes de conversion spin-charge dans le diséléniure de platine PtSe2.
L’équipe de l'Irig développe depuis 10 ans la technique de croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) sous ultravide de monocristaux 2D de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sur de grandes surfaces - plusieurs cm2. Le dépôt du matériau ferromagnétique est ensuite réalisé dans la même chambre sous ultravide dans des conditions de croissance optimisées pour obtenir des interfaces parfaites (voir en médaillon de la
Fig. 1).
Figure 1 : Schéma de principe de l'émission THz à partir d'une bicouche CoFeB/PtSe2 excitée par une impulsion laser femtoseconde. En médaillon, un zoom à l'échelle atomique de l’image par microscopie électronique de l'empilement de 8 monocouches de PtSe2 épitaxiées sur graphène/SiC, montrant la qualité des interfaces. Le mouvement opposé des spins « up » (en bleu) et « down » (en brun) perpendiculairement aux couches est appelé courant de spin. Il est associé au courant de charge longitudinal dans le plan des couches. Crédit CEA
Pour identifier et quantifier les mécanismes de conversion, la technique de caractérisation spintronique par émission aux fréquences THz est facile à mettre en œuvre et ne nécessite pas d’autres procédés technologiques. Elle est aussi très sensible et non destructive (Fig. 1).
Le matériau PtSe2 présente un signal THz intense permettant d’étudier l’émission en fonction du nombre de monocouches. De façon remarquable, la courbe de la
Fig. 2 montre une marche à 4
monocouches qui correspond exactement à la transition électronique de l’état semi-conducteur à l’état semi-métallique du matériau. Aux faibles épaisseurs (< 4
monocouches) dans le régime semi-conducteur, le transfert de charge entre le substrat de graphène et la première couche de PtSe2 permet de créer un champ électrique d’interface, et aussi un effet spintronique de type Rashba qui est à l’origine de la conversion spin-charge et du signal THz (Fig. 2).
Dans ce régime, il serait possible de moduler l’émission THz par l’application d’un champ électrique extérieur. Pour les épaisseurs au-delà de 4 monocouches, la transition dans l’état semi-métallique ajoute le phénomène de conversion par l’effet Hall de spin qui correspond à un effet de volume (Fig. 2).
Figure 2 : Mesures de l'intensité du champ électrique THz émis en fonction de l’épaisseur (en nombre de monocouches ou ML) de PtSe2 montrant deux régimes de conversion aux faibles épaisseurs (< 4ML) et fortes épaisseurs (> 4ML). Les points bleus correspondent aux mesures et les courbes en trait plein à des ajustements théoriques. Crédit CEA
Des études théoriques ont permis de valider cette interprétation et de quantifier ces effets, combinant un modèle simple de diffusion de spin et des calculs
ab initio.
En conclusion, les matériaux 2D ouvrent de nouveaux horizons pour une spintronique émettant durablement et de façon modulable des ondes THz.
Collaboration
- Irig/MEM, Irig/SyMMES et Irig/Pheliqs
- Laboratoire de Physique de l'Ecole Normale Supérieure LPENS, Paris
- Laboratoire Albert Fert LAF, Palaiseau
- Centre de Nanosciences et Nanotechnologies C2N, Palaiseau
- Institut Néel, Grenoble