​​​​​​Une collaboration incluant le CEA-Irig/MEM a déterminé la structure magnétique d’un film mince de LaSrMnO (LSMO) par diffraction neutronique, révélant un ordre magnétique contrôlable par l’épaisseur du film.​​

​​Les oxydes de manganèse présentent des propriétés magnétiques et électroniques prometteuses pour la spintronique (électronique exploitant le spin des électrons). Les propriétés magnétiques de ces matériaux en couches minces dépendent des contraintes du substrat sur lequel les couches sont déposées. Il est donc indispensable de caractériser précisément leur ordre magnétique, afin de les exploiter pour des applications (mémoires magnétiques MRAM, capteurs). Or déterminer cette structure à l’échelle nanométrique reste un défi technique majeur.

​Pour surmonter ces obstacles, l'équipe a combiné :​

• ​​Des mesures macroscopiques (SQUID*) 
• La diffraction sur la ligne neutronique D10* (récemment optimisée à l’Institut Laue Langevin).

​​​Grâce à sa configuration 4-cercles, et​ dotée de son ​analyseur​, la ligne ​ D10* a permis d’isoler le signal magnétique d’un film mince de LSMO (40,9 nm d’épaisseur, 5x5 mm de côté) déposé sur du silicium avec une couche tampon de SrTiO3 (STO) (voir image 1). Cette analyse a pu être ​réalisée malgré la très faible quantité de matière du film et le bruit de fond du substrat.

En dessous de 260 K :

• ​Le film subit une transition de phase paramagnétique à ferromagnétique. 
• Les moments magnétiques s’alignent majoritairement dans le plan (ab), avec une faible composante hors-plan (voir Figure 2). La diffraction neutronique a permis de déterminer précisément les valeurs des composantes dans le plan et en dehors du plan​ :
  m = (3.5, 0, 0.3) μB. 
• La structure trouvée est distincte du LSMO massif (orientation [111]) et des films très minces (phases mixtes).

Les résultats montrent que l’épaisseur contrôle l’ordre magnétique (du nm jusqu’au matériau massif). Il s’agit d’une donnée cruciale pour l’ingénierie des matériaux et la preuve directe que les contraintes du substrat dictent l’anisotropie magnétique des couches minces. Cela ouvre la voie vers des dispositifs spintroniques optimisés grâce au contrôle précis de l’orientation des moments.

Figure 2 : Structure magnétique de LSMO déterminée dans cette étude. Les moments magnétiques sont portés par les manganèses (Mn) et représentés par des flèches bleues.

Cette étude démontre avec succès que la diffraction neutronique peut résoudre des structures magnétiques de couches minces. En relevant ce défi technique, elle offre un outil unique pour la spintronique, où la connaissance précise de l’anisotropie magnétique est un verrou industriel. L’optimisation de l’instrument D10 ouvre désormais la voie à l’exploration de nouveaux matériaux quantiques nanostructurés. 

Collaborations

• Institut Laue-Langevin ILL, Grenoble 
• Laboratoire national des champs magnétiques intenses LNCMI – CNRS, Grenoble 
• Equipe Magnétisme et Diffusion Neutronique - CEA-Irig/MEM 
• Matériaux, Rayonnements, Structure MRS - Institut Néel, Grenoble 
• Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux CRISMAT – Université de Caen 
• Laboratoire Théorie de la Matière Condensée - Institut Néel, Grenoble

H. Himanshu, E. Reb​​olini, K. Beauvois et al. ​​
Nuclear and mag​​netic structure of an epitaxial La0.67Sr0.33MnO3 film using diffraction methods. ​​
Thin solid film 2024 ​​