Cette activité, basée sur la plate‐forme de microscopies en champ proche du laboratoire, se décline suivant deux axes : les caractérisations avancées de matériaux en couches minces et de composants et la nanolithographie par CT‐AFM.
Caractérisations avancées par microscopies champ proche
Conductive Tip‐AFM (CT‐AFM) : le mode CT‐AFM consiste à mesurer la conduction entre une pointe conductrice et un échantillon. Cela permet de cartographier les propriétés de transport de couches minces et d’hétérostructures, de mesurer des I(V) localement, mais aussi de prendre un contact électrique sur un composant de faible dimension et d’en analyser les propriétés de transport. Ce mode a contribué à la mise au point de barrières tunnel sur graphène (APL 2012), de barrières tunnel ferroélectriques, de structures tunnel sur substrat souple (APL 2010), de barrière de MgO pour l’injection de spin dans des semi‐conducteurs (InP, Ge). A basse température, nous avons pu observer le gaz électronique confiné aux interfaces d’hétérostructures d’oxydes isolants (PRL 2009), étudier des structures à filtre à spin (PRB 2011, APL 2012) ou les propriétés de memristors ferroélectriques (Nature Nanotech. 2012).
Piezoresponse‐AFM (PFM) : le mode PFM permet d’imager les domaines ferroélectriques via leur réponse électro‐mécanique et d’en mesurer localement les hystérèses. En appliquant une tension pointe‐échantillon supérieure aux champs coercitifs, il est aussi possible d’écrire et modifier à façon ces domaines. Cette technique a permis de caractériser des hétérostructures hybrides ferroélectrique/supraconducteur, et de démontrer un effet de champ important induit dans le supra par la polarisation ferroélectrique (PRL 2011). Cette étude se poursuit avec le microscope cryogénique dans lequel il est dorénavant possible de mesurer simultanément les propriétés de transport (I(V), R(T),…) de bridges ferro/supra et d’imager/modifier les domaines ferroélectriques. La combinaison des modes CT‐AFM et PFM a été déterminante dans l’étude des jonctions tunnel à barrière ferroélectrique. Ces expériences ont permis de mettre en évidence la corrélation entre la conductance d’une barrière tunnel ferroélectrique et l’orientation de sa polarisation (Nature 2009, APL 2010). Ces travaux se sont poursuivis par l’étude de composants de type « memristor » basés sur ce concept. Un montage expérimental a été développé afin de pouvoir réaliser sous pointe, simultanément les mesures de transport sur ces composants, la modification de leur état de résistance par l ‘application d’impulsions de tension (Nature Nano. 2012) et dans un second temps, l’imagerie des domaines ferroélectriques au sein du composant (Nature Mater. 2012).
Magnetic Force AFM (MFM) : le mode MFM permet grâce à l’interaction entre une pointe magnétique et un échantillon d’imager ses domaines magnétiques. Afin de répondre aux besoins de nouvelles actions du thème « Spintronique et Nanomagnétisme » (SHE, memristor spintronique, spin‐LED, magnonique, skyrmions…), un effort important a été investi pour imager des structures magnétiques à faible aimantation, comme les multicouches à aimantation perpendiculaire, intégrées
sur des couches supraconductrices (PRB 2011). Des montages expérimentaux spécifiques ont été développés permettant de combiner l’imagerie MFM sous champ magnétique et la connexion électrique des échantillons. Cette combinaison permet d’étudier le déplacement de parois magnétiques ou le basculement d’un plot magnétique par une impulsion de courant via le SHE ou de mesurer les propriétés de transport d’un memristor spintronique en fonction de la position de la paroi magnétique.
Nanolithographie en champ proche
La technologie de nanolithographie par CT‐AFM développée au laboratoire contribue à de nombreuses opérations de recherche du laboratoire. Citons par exemple la réalisation de nano‐jonctions tunnel magnétiques à barrière ferroélectrique pour le contrôle de la polarisation de spin par l’orientation de la polarisation ferroélectrique de la barrière (Science 2012), la poursuite des travaux sur le transport dépendant du spin à travers un agrégat unique (Nature Phys. 2009, Nature Nanotech. 2010, PRB 2011), l’émission hyperfréquence de nano‐contacts GMR (Nature Nanotech. 2009, Nature Phys. 2012, PRB 2012), le filtrage de spin (APL 2012)… Des développements spécifiques ont été entrepris et se poursuivent afin d’adapter cette technologie à
de nouveaux matériaux apparus récemment au laboratoire comme les matériaux moléculaires en couches minces (Nature Phys. 2010), les couches moléculaires auto‐assemblées (Adv. Mater. 2012, ACS nano 2012) ou encore le graphène.