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Emmanuel Arras

Étude théorique de la structure et de la stabilité des alliages GeMn dans le cadre de la spintronique. Un prototype de semiconducteur magnétique confronté aux résultats expérimentaux

Publié le 22 avril 2010


Thèse soutenue le 22 avril 2010 pour obtenir le grade de docteur de l'Université de Grenoble - Spécialité : Physique de matière condensée et du rayonnement

Résumé :
La spintronique a déjà permis plusieurs avancées majeures mais le problème de l'injection de spin s'oppose encore à son utilisation généralisée en microélectronique. Le concept de semi-conducteur magnétique dilué (DMS) a été envisagé comme solution, mais s'avère difficile à appliquer aux semi-conducteurs de type IV, dans lesquels les atomes magnétiques sont très peu solubles et forment des précipités. Nous nous sommes intéressé dans ce travail au système germanium manganèse, et à la structure de certains précipités particuliers, qui semblent cohérents avec la matrice de Ge, et dont les caractéristiques magnétiques, chimiques et structurales ne correspondent à aucun composé connu. Nous avons utilisé dans ce travail des outils simulation de type ab initio par l'approche DFT avec utilisation de pseudopotentiels PAW. Nous générons dans un premier temps des pseudopotentiels nécessaires pour le Ge et le Mn. Puis nous montrons grâce à une étude thermodynamique que les méthodes premier principe permettent de reproduire le diagramme de phase (x,T=0) du système GexMn1-x. Nous étudions ensuite les défauts ponctuels de Mn dans la matrice de Ge et leur possibles agglomérations, et montrons qu'une "condensation" de défauts sur le réseau diamant ne peut pas expliquer les observations expérimentales. Enfin, nous montrons que certains composés ordonnés dérivés de systèmes proches sont métastables dans GeMn, et cette fois compatibles avec les mesures. Grâce à une étude complète des interfaces avec le Ge diamant, nous parvenons à expliquer la stabilité de nanocolonnes riches en Mn (33%) dans une matrice de Ge pur. Nous comparons par ailleurs les propriétés simulées de nos composés à l'expérience : température de Curie, spectre XAS, mais aussi diffraction de rayon X et microscopie électronique à transmission (TEM).

Jury :
Président : Monsieur J. Cibert
Rapporteur : Monsieur C. Barreteau
Rapporteur : Monsieur R. Caracas
Membre : Monsieur S. Blügel
Membre :  Monsieur P. Pochet
Membre : Monsieur F. Lançon
Directeur de thèse : Frédéric Lançon
Co-Directeur de thèse : Pascal Pochet

Mots clés :
Spintronique, ab initio, manganèse, germanium, alliage, métastabilité, simulation

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