Architecting thin films for magnetic devices - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2023

Architecting thin films for magnetic devices

Architectures de couches minces pour dispositifs magnétiques

Adrián Benedit Cárdenas

Abstract

Green and digital transitions will induce a tremendous demand in metals and semiconductors. This raise concerns on the availability of materials in a rather near future. Addressing this challenge requires an unprecedented effort to discover new materials that are more sustainable and also expand their functionalities beyond conventional materials limits. In this line, the main objective of this thesis is the synthesis of metastable MnSi thin films with the aim of enhancing their magnetic properties, particularly the increment of the Curie temperature (TC) beyond its pristine value of 30 K. To accomplish that, thin films were deposited by magnetron sputtering in a non-stoichiometric composition, that is in a far-out-of-stable equilibrium state. Crystalization of the films has been subsequently controlled by rapid thermal annealing (RTA) or laser irradiation. It is achieved a fine control over the crystallisation of non-stoichiometric MnSix (0.78 < x < 1). Curie Temperature TC shows a non-monotonous evolution with the crystallisation. At the earliest and the final stage, the Curie Temperature is comparable with the stoichiometric MnSi (TC = 30 K). At intermediate stage, while the material is crystalline and remain non-stoichiometric the higher values of TC are registered. Indeed, a significant fivefold increase in the Curie temperature (from 30K to 150K) of MnSi compound has been reached. This finding highlights the potential of controlling the metastability of materials as a promising and relatively unexplored pathway to enhance material properties, without relying on critical elements such as Rare Earth Elements.
Les transitions vertes et numériques vont entraîner une demande énorme en métaux et en semi-conducteurs. Cela soulève des inquiétudes quant à la disponibilité des matériaux dans un avenir assez proche. Pour relever ce défi, il est nécessaire de déployer des efforts sans précédent pour découvrir de nouveaux matériaux plus durables et étendre leurs fonctionnalités au-delà des limites des matériaux conventionnels. Dans cette optique, l'objectif principal de cette thèse est la synthèse de films minces de MnSi métastables dans le but d'améliorer leurs propriétés magnétiques, en particulier d'augmenter la température de Curie (TC) au-delà de sa valeur d'origine de 30 K. Pour ce faire, des films minces ont été déposés par pulvérisation cathodique en composition non stœchiométrique, c'est-à-dire dans un état bien éloigné de l'équilibre stable. La cristallisation des films a ensuite été contrôlée par recuit thermique rapide (RTA) ou par irradiation au laser. On obtient ainsi un contrôle précis de la cristallisation du MnSix non stœchiométrique (0,78 < x < 1). La température de Curie TC montre une évolution non monotone avec la cristallisation. Aux stades les plus précoces et les plus avancés, la température de Curie est comparable à celle du MnSi stœchiométrique (TC = 30 K). À un stade intermédiaire, alors que le matériau est cristallin et reste non stœchiométrique, les valeurs plus élevées de TC sont enregistrées. En effet, une augmentation significative de cinq fois de la température de Curie (passant de 30 K à 150 K) du composé MnSi a été obtenue. Cette découverte met en évidence le potentiel de contrôler la métastabilité des matériaux comme une voie prometteuse et relativement peu explorée pour améliorer les propriétés des matériaux, sans avoir besoin d'éléments critiques tels que les terres rares.
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Dates and versions

tel-04583678 , version 1 (22-05-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04583678 , version 1

Cite

Adrián Benedit Cárdenas. Architecting thin films for magnetic devices. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université de Lorraine, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0318⟩. ⟨tel-04583678⟩
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