Soutenance de thèse – Hao Wei

Hao WEI soutiendra sa thèse intitulée « Spintronique avec Semiconducteurs 2D : Des Dichalcogénures de Métaux de Transition au Phosphore Noir » le 26 Mai 2025 à 14h, à l’auditorium de TRT.

Résumé :
La spintronique constitue une alternative prometteuse à la technologie CMOS, mais les applications industrielles restent tributaires d’un seul environnement matériau : CoFeB/MgO/CoFeB. Ainsi, l’essor des matériaux bidimensionnels (2D) constitue une opportunité intéressante en raison de leurs propriétés de spin uniques : contrôle de l’épaisseur à l’échelle atomique, barrières fines imperméables, filtrage de spin et modulation du couplage spin-orbite.

Cependant, des défis tels que la stabilité, l’ingénierie des interfaces et l’injection efficace de spin entravent leur intégration dans des dispositifs spintroniques fonctionnels. Ce travail de thèse s’est d’abord concentré sur la définition et l’optimisation des interfaces en utilisant en particulier les dépôts par ablation laser (pulsed laser deposition – PLD) et par dépôt atomique (atomic layer deposition – ALD), et en développant des protocoles in situ avec des atmosphères contrôlées pour combiner des matériaux 2D et des matériaux spintroniques plus habituels.

Ce travail sur la science des matériaux a été essentiel pour obtenir des interfaces 2D/FM de haute qualité : nous avons alors été en mesure d’obtenir des résultats sur le transport de spin dans des systèmes basés sur les 2D qui vont au-delà de l’état de l’art.

Dans une première série d’études, nous avons montré que la PLD s’avère être une technique efficace pour la croissance de matériaux 2D et d’hétérostructures complexes. En particulier, nous avons étudié un nouveau système van der Waals pour illustrer les performances de cette approche PLD, à savoir les super-réseaux 2D. Ces hétérostructures de semi-conducteurs 2D fournissent une nouvelle famille de matériaux lamellaires semi-conducteurs artificiels, avec des propriétés adaptables grâce aux effets d’hybridation aux interfaces.

Profitant de ce développement, nous avons commencé à utiliser la PLD pour définir de nouvelles interfaces polarisées en spin basées sur les 2D. L’utilisation de processus à grande échelle et in situ a permis de débloquer des sources de spin 2D/FM de haute qualité, une condition préalable à l’étude de leurs propriétés de spin.

Nous avons réussi à fabriquer des jonctions tunnel magnétiques (MTJ) à base de MoS₂, en obtenant des caractéristiques de transport de spin très spécifiques et de forts signaux de magnétorésistance tunnel (TMR). La réponse en spin unique de ce système a été analysée par des calculs ab initio au travers d’une collaboration (UC Louvain), révélant le rôle crucial des hybridations 2D/FM dans ces systèmes. Nos résultats soulignent le potentiel prometteur des semi-conducteurs 2D pour adapter finement la réponse des vannes de spin.

Enfin, nous avons exploré le potentiel d’un autre semi-conducteur 2D pour la spintronique : le phosphore noir (BP). Alors que les prédictions pour le BP étaient prometteuses pour ses propriétés spintroniques (mobilités élevées, faible couplage spin-orbite, grandes longueurs de diffusion du spin…), des problèmes matériaux tels que la définition des interfaces et la dégradation rapide du BP ont fortement entravé son exploration expérimentale.

Ici, en exploitant des protocoles de passivation et en travaillant sur des approches de fabrication dans des atmosphères contrôlées, nous avons pu l’intégrer dans des dispositifs vannes de spin. Nous avons mis en évidence ses propriétés de filtrage de spin uniques dues à sa structure de bande, menant à des signaux de spin TMR supérieurs à 500 %.

Par ailleurs, l’analyse initiale de dispositifs latéraux a permis d’entrevoir le potentiel du BP pour des architectures spintroniques avancées.

Dans l’ensemble, ces résultats soulignent l’importance de développer des techniques d’intégration robustes pour les matériaux 2D dans les dispositifs spintroniques. Les avancées acquises dans le cadre de cette recherche ouvrent des perspectives pour la spintronique à base de 2D, avec des applications potentielles allant de circuits à faible consommation à l’informatique quantique.