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Une nouvelle structure pour FeMnAs

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Les conditions particulières de contraintes anisotropes et de dynamique de diffusion liées à la croissance par épitaxie par jet moléculaire (molecular beam epitaxy, ou MBE) peuvent favoriser la formation de phases nouvelles qui n’existent pas dans le volume. Lors de la croissance MBE du système Fe/MnAs/GaAs(100), l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP a mis en évidence la présence d’un composé d’interface FeMnAs. Les deux structures jusqu’à présent connues de l’arséniure FeMnAs sont tétragonale (T, sous des conditions normales de croissance) ou hexagonale (H, lorsque le composé est synthétisé sous haute pression et haute température). Elle a montré que ce composé FeMnAs (1) a une structure de type orthorhombique, jamais observée auparavant. Cette détermination structurale a été rendue possible grâce à l’utilisation de la microscopie électronique STEM_HAADF (High Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscope).

L’échantillon multicouche Fe/MnAs/GaAs(100) a été synthétisé par MBE. Après désoxydation sous flux d’As, le substrat GaAs(100) a été recouvert d’une couche tampon de GaAs, à 560°C, afin d’obtenir une surface plane. Une couche de MnAs a ensuite été déposée, après avoir abaissé la température à 230°C. Enfin l’équivalent de 25 monocouches de fer a été déposé, à 160°C, avec une cellule de Knudsen. Le composé d’interface FeMnAs s’est formé par diffusion partielle du fer dans MnAs. La stabilisation de cette structure orthorhombique, inexistante pour le composé FeMnAs massif (T ou H), est due aux conditions spécifiques de croissance en couches minces par MBE.

Le STEM_HAADF est une technique de microscopie électronique en transmission de plus en plus utilisée en raison de sa très haute performance. Cette technique permet de visualiser directement les colonnes atomiques des matériaux cristallisés, contrairement à la microscopie classique à haute résolution qui fournit seulement une image d’interférences caractéristique du réseau cristallin du matériau. Avec un contraste qui dépend du numéro atomique des éléments observés, cette microscopie permet de distinguer les éléments « lourds » des « légers ». Ainsi une comparaison directe peut être faite entre les images observées et une structure théorique. Ceci a permis d’identifier un composé nouveau à l’interface entre le fer et le MnAs dans Fe/MnAs/GaAs(100). Le microscope utilisé est un Jeol 2200FS1 200kV muni d’un canon à effet de champ (FEG) et équipé d’un correcteur d’aberration sphérique sur la sonde (taille de la sonde : 0,1 nm).

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(a) Image STEM_HAADF en section transverse de Fe/MnAs/GaAs(001) selon l’axe de zone [100] de MnAs. Images filtrées de : (b) la couche de Mn, (c) FeMnAs, (d) la couche de fer. c) Hystérèses d’aimantation de Co dans ou hors du plan de surface.

Après avoir évalué par XEDS (X-ray Energy Dispersive Spectroscopy) la composition de cette phase interfaciale comme étant FeMnAs, sa structure a pu être déterminée en comparant les images de microscopie obtenues (positions des colonnes atomiques et intensités) selon les deux axes [100] et [001] de MnAs avec les structures des arséniures connues dans la littérature. Un accord parfait avec une structure orthorhombique de type Co2P a été trouvé, confirmé par une étude des clichés de diffraction électronique selon les deux axes précités.

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(a) Image STEM_HAADF en section transverse du composé FeMnAs obtenu par diffusion du fer dans MnAs. (b) Structure orthorhombique du type Co2P.

L’étude par STEM_HAADF selon l’axe de zone [001] de MnAs a révélé l’existence, dans cette structure FeMnAs orthorhombique, de lacunes ordonnées, semble-t-il inexistantes dans les deux autres structures (T et H) de FeMnAs.

GIF Figure 3
(a) Image STEM_HAADF du composé FeMnAs selon l’axe de zone [001] de MnAs. (b) Structure orthorhombique du type Co2P. Les ronds verts et bleus correspondent respectivement aux sites pyramidaux et tétraédriques occupés par les métaux de transition Fe et Mn. Les croix symbolisent les lacunes.

Cette étude structurale a été complétée par des calculs ab initio faits en collaboration avec des chercheurs argentins du CNEA qui ont montré que ce composé FeMnAs orthorhombique est antiferromagnétique. Les deux structures T et H de FeMnAs connues dans la littérature sont respectivement antiferromagnétique et ferromagnétique.

La formation de cette phase intermédiaire pourrait être à l’origine du très faible couplage d’échange observé entre les composés ferromagnétiques Fe et MnAs.

Référence
“Structure and Magnetism of Orthorhombic Epitaxial FeMnAs” Dominique Demaille, Gilles Patriarche, Christian Helman, Mahmoud Eddrief, Victor Hugo Etgens, Maurizio Sacchi, Ana Maria Llois, and Massimiliano Marangolo Crystal Growth Design. 13, 4279 (2013)

Contact
Dominique Demaille

(1) Collaboration avec Gilles Patriarche du LPN.