Imaging and tailoring electric and antiferromagnetic textures in multiferroic thin films of BiFeO₃ - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Imaging and tailoring electric and antiferromagnetic textures in multiferroic thin films of BiFeO₃

Contrôle et imagerie de textures électriques et antiferromagnétiques dans les couches minces multiferroïques de BiFeO₃

Résumé

Antiferromagnetic materials are generating a growing interest for spintronics due to important assets such as their insensitivity to spurious magnetic fields and fast magnetization dynamics. A major bottleneck for functional devices is the readout and electric control of the antiferromagnetic order. In multiferroics, the magnetoelectric coupling between ferroelectric and antiferromagnetic orders may represent an efficient way to control antiferromagnetism with an electric field. In this thesis, we observe a wide variety of antiferromagnetic textures that we control by strain engineering and electric field in the archetypical multiferroic, BiFeO₃. We elaborate epitaxial BiFeO₃ thin films, harbouring various ferroelectric domain landscapes, as imaged by piezoresponse force microscopy. Furthermore, we resort on an inverse phase transition to improve the global electrical order from maze to perfect array of striped ferroelectric domains. Using scanning NV magnetometry, we correlate the antiferromagnetic landscapes to the ferroelectric ones. We demonstrate that strain stabilizes bulk or exotic spin cycloids, as well as collinear antiferromagnetic order. With resonant X-ray elastic scattering, we macroscopically confirm the existence of two types of cycloid. Furthermore, we electrically design antiferromagnetic landscapes on demand, changing one type of cycloid to another or turning collinear states into non-collinear ones. Finally, resorting on anisotropic strain, we stabilize a single domain ferroelectric state, in which a single spin cycloid propagates. This opens a fantastic avenue to investigate the coupling between non-collinear antiferromagnetism and spin transport.
Les matériaux antiferromagnétiques suscitent un intérêt croissant pour la spintronique de par leur insensibilité aux champs magnétiques parasites et leur dynamique magnétique ultrarapide. Cependant, la lecture et le contrôle de l’ordre antiferromagnétique restent des verrous pour le développement des dispositifs. Dans les matériaux multiferroïques, le couplage magnétoélectrique entre les ordres électrique et magnétique pourrait permettre de contrôler l’antiferromagnétisme avec un champ électrique. Dans cette thèse, nous imageons une grande variété de textures antiferromagnétiques que nous contrôlons par l’ingénierie des contraintes et le champ électrique pour l’archétype des matériaux multiferroïques, BiFeO₃. Nous élaborons des films minces sous différentes contraintes d’épitaxie, maîtrisant ainsi la texture de domaines ferroélectriques, telle qu’imagée par microscopie à force piézoélectrique. De plus, nous montrons qu’une transition de phase inverse peut être utilisée pour accroître l’ordre électrique global, d’une configuration labyrinthique de domaines vers un réseau périodique en bandes rectilignes. La magnétométrie à centre NV nous permet de corréler les textures antiferromagnétiques et ferroélectriques. Nous démontrons que les contraintes stabilisent différents types de cycloïdes ainsi qu’un ordre antiferromagnétique colinéaire. La diffraction X élastique résonante permet de confirmer macroscopiquement l’existence de deux types de cycloïdes. Enfin, nous contrôlons électriquement ces textures antiferromagnétiques, passant d’une cycloïde à une autre ou transformant un ordre colinéaire en cycloïde. Sur la base d’un substrat imposant une contrainte anisotrope, nous stabilisons des films ne présentant qu’un seul domaine ferroélectrique associé à un unique domaine antiferromagnétique. Ceci ouvre de larges perspectives pour explorer le couplage entre l’antiferromagnétisme non-colinéaire et le transport de spin.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03142527 , version 1 (16-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03142527 , version 1

Citer

Johanna Fischer. Imaging and tailoring electric and antiferromagnetic textures in multiferroic thin films of BiFeO₃. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASP013⟩. ⟨tel-03142527⟩
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