Ultrafast Magnetization Control in VO₂ based Heterostructures - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2022

Ultrafast Magnetization Control in VO₂ based Heterostructures

Contrôle ultrarapide de l'aimantation dans des hétérostructures à base de VO₂

Abstract

(1) We have investigated the phase transition in ultrathin amorphous VO₂ and its physical mechanism: We have successfully prepared ultrathin (nano-scale) amorphous VO₂ films with significant phase transition by magnetron sputtering and demonstrated the phase transition of amorphous VO₂ - EGT. In addition, we quantitatively modeled the phase transition of amorphous VO₂ and classified different thicknesses of VO₂ into "strong system" (>5 nm) and "fragile system" (0-2 nm). For the strong system, the material properties are less affected by temperature, and the Arrhenius model is used to describe the electron transport of VO₂ phase transition. While for the fragile system, the material properties are more affected by temperature fluctuations, and the Vogel-Tammann-Fulcher model can be used for analysis. The results demonstrate the phase transition mechanism of amorphous materials and provide a new idea for understanding phase transition. In addition, this direct method of growing ultrathin VO₂ using magnetron sputtering is convenient and fast, and it can be grown in the same batch with other materials within the heterostructure, which is expected to promote the application of phase transition materials in practical devices.(2) We explored a method to dynamically regulate the interlayer exchange coupling by phase transition: we introduced the VO₂ into the ferromagnetic/nonmagneticspacer/ferromagnetic heterostructure, and successfully realized the reversible transformation of the antiferromagnetic coupling and ferromagnetic coupling through regulating conduction electrons by MIT of VO₂. At the same time, from the analysis of the change of magnetic properties, we clarify that the IEC induced by VO₂ in different electronic states is dominated by the RKKY and spin dependent tunneling. Furthermore, we fully investigate the physical root behind the regulation of IEC by the VO₂, and reveal the regulation mechanism of the interface spin effect by the regulation of electronic states of non-magnetic spacer. This part of the work proposes a novel approach to the dynamic regulation of IEC, which provides new ideas for the application of IEC in spintronic devices.(3) We study the dynamic regulation of spin-polarized hot electron transport by phase transition: In a ferrimagnetic/nonmagnetic diffusion channel/ferromagnetic heterostructure, we introduce VO₂ into the diffusion channel to control the electrical properties of the channel by MIT, and then dynamically regulate the transport of spin-polarized hot electrons generated by the ultrafast demagnetization of GdCo. By regulating the on/off of hot electrons in the channel, we achieve dynamic regulation of the magnetization of adjacent ferromagnetic layers. Meanwhile, with the optical property changes introduced by VO₂, we have successfully achieved the switching of the magnetization of ferromagnetic materials without AOS in ferrimagnetism excited by a single-pulse femtosecond laser. Furthermore, we have verified and analyzed the mechanism of this ultrafast modulation. In this work, we use the phase transition material VO₂ as a diffusion channel with controllable electrical properties to control the hot electron transport through MIT. The results show that the non-magnetic materials play an important role in various types of heterostructures.
(1) Nous aVO₂vons étudié la transition de phase dans le VO₂ amorphe ultrafin et son mécanisme physique : Nous avons préparé avec succès des films amorphes ultraminces (à l'échelle nanométrique) de VO₂ avec une transition de phase significative par pulvérisation magnétron et démontré la transition de phase du VO₂ amorphe - EGT. En outre, nous avons modélisé quantitativement la transition de phase du VO₂ amorphe et classé différentes épaisseurs de VO₂ en "système fort" (>5 nm) et "système fragile" (0-2 nm). Pour le système fort, les propriétés du matériau sont moins affectées par la température, et le modèle d'Arrhenius est utilisé pour décrire le transport d'électrons de la transition de phase du VO₂. Alors que pour le système fragile, les propriétés du matériau sont plus affectées par les fluctuations de température, et le modèle de Vogel-Tammann-Fulcher peut être utilisé pour l'analyse. Les résultats démontrent le mécanisme de transition de phase des matériaux amorphes et fournissent une nouvelle idée pour comprendre la transition de phase. En outre, cette méthode directe de croissance de VO₂ ultra-mince par pulvérisation magnétron est pratique et rapide, et il peut être cultivé dans le même lot avec d'autres matériaux dans l'hétérostructure, ce qui devrait promouvoir l'application de matériaux à transition de phase dans des dispositifs pratiques. (2) Nous avons exploré une méthode permettant de réguler dynamiquement le couplage d'échange entre couches par transition de phase : nous avons introduit le VO₂ dans la couche ferromagnétique/non magnétique et nous avons réussi à réaliser la transformation réversible du couplage antiferromagnétique et du couplage ferromagnétique en régulant les électrons de conduction par le MIT de VO₂. En même temps, à partir de l'analyse du changement des propriétés magnétiques, nous clarifions que le CEI induit par le VO₂ dans différents états électroniques est dominé par le RKKY et l'effet tunnel dépendant du spin. En outre, nous étudions en détail la racine physique derrière la régulation de l'IEC par le VO₂, et nous révélons le mécanisme de régulation de l'effet de spin de l'interface par la régulation des états électroniques de l'espaceur non magnétique. Cette partie du travail propose une nouvelle approche de la régulation dynamique de l'IEC, qui fournit de nouvelles idées pour l'application de l'IEC dans les dispositifs spintroniques. (3) Nous étudions la régulation dynamique du transport d'électrons chauds polarisés en spin par transition de phase : Dans une hétérostructure ferrimagnétique/non magnétique à canal de diffusion/ferromagnétique, nous introduisons du VO₂ dans le canal de diffusion pour contrôler les propriétés électriques du canal par MIT, puis nous régulons dynamiquement le transport des électrons chauds polarisés en spin générés par la désaimantation ultrarapide de GdCo. En régulant l'activation et la désactivation des électrons chauds dans le canal, nous obtenons une régulation dynamique de l'aimantation des couches ferromagnétiques adjacentes. Parallèlement, grâce aux changements de propriétés optiques introduits par le VO₂, nous avons réussi à commuter l'aimantation de matériaux ferromagnétiques sans AOS en ferrimagnétisme excité par un laser femtoseconde à impulsion unique. De plus, nous avons vérifié et analysé le mécanisme de cette modulation ultrarapide. Dans ce travail, nous utilisons le matériau de transition de phase VO₂ comme canal de diffusion avec des propriétés électriques contrôlables pour contrôler le transport des électrons chauds à travers le MIT. Les résultats montrent que les matériaux non magnétiques jouent un rôle important dans différents types d'hétérostructures.
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tel-04127730 , version 1 (14-06-2023)

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  • HAL Id : tel-04127730 , version 1

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Cite

Xiaofei Fan. Ultrafast Magnetization Control in VO₂ based Heterostructures. Physics [physics]. Université de Lorraine; Beihang university (Pékin), 2022. English. ⟨NNT : 2022LORR0271⟩. ⟨tel-04127730⟩
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