Graphène épitaxié sur métal pour nouveaux systèmes magnétiques nanométriques

Graphène est un candidat pour la préparation de dispositifs spintroniques de nouvelle génération tirant partie de sa grande longueur de diffusion de spin et de la grande mobilité de ses porteurs de charge. En interagissant avec matériau ferromagnétique, il pourrait en outre devenir un élément actif, comme le suggèrent des études récentes par physique des surfaces, qui mettent en évidence un moment magnétique de quelques fractions de magnéton de Bohr dans le graphène en contact avec du fer, et une séparation en spin des bandes électroniques du graphène, d'environ 10 meV, par un effet Rashba au contact d'un élément de grand numéro atomique (l'or). La façon dont le graphène peut influencer les propriétés, par exemple magnétiques, des matériaux qui y sont contactés, reste peu étudiée. Les systèmes hybrides de haute qualité, constitués de graphène en contact avec des couches minces magnétiques ou des plots de taille nanométrique, sont des terrains de jeu pour explorer les deux aspects, la manipulation des propriétés du graphène par son interaction avec d'autres espèces, et vice versa. Dans le graphène contacté à des couches magnétiques ultra-minces par exemple, de forts effets d'interface pourraient être exploités pour contrôler l'aimantation du matériau magnétique. L'auto-organisation quasi-parfaite récemment découverte pour des plots nanométriques sur graphène, pourrait permettre d'explorer les interactions magnétiques, potentiellement transmises par le graphène, entre plots. Trois systèmes hybrides de haute qualité, intégrant du graphène préparé par dépôt chimique en phase vapeur sur le surface (111) de l'iridium, ont été développés sous ultra-haut vide (UHV) : des films ultra-minces de cobalt déposés sur graphène, et intercalés à température modérée entre graphène et son substrat, ainsi que des plots nanométriques riches-Co et -Fe, organisés avec une période de 2.5 nm sur le moiré entre graphène et Ir(111). Auparavant, des films de 10 nm d'Ir(111), monocristallins, déposés sur saphir, ont été développés. Ces films ont été par la suite utilisés comme substrats en remplacement de monocristaux massifs d'Ir(111). Ces nouveaux substrats ont ouvert la voie à des caractérisations multi-techniques ex situ, peu utilisées jusqu'alors pour étudier les systèmes graphène/métaux préparés sous UHV. Au moyen d'une combinaison de techniques de surface in situ et de sondes ex situ, les propriétés structurales, vibrationnelles, électroniques et magnétiques des trois nouveaux systèmes hybrides ont été caractérisées et confrontées à des calculs ab initio. Un certain nombre de propriétés remarquables ont été mises en évidence. L'interface entre graphene et cobalt implique de fortes interactions C-Co qui conduisent à une forte anisotropie magnétique d'interface, capable de pousser l'aimantation hors de la surface d'un film ultra-mince en dépit de la forte anisotropie de forme dans ces films. Cet effet est optimum dans les systèmes obtenus par intercalation entre graphène et iridium, qui sont par ailleurs naturellement protégés des pollutions de l'air. Les plots nanométriques, au contraire, semblent peu interagit avec le graphène. Des plots comprenant environ 30 atomes restent superparamagnétiques à 10 K, n'ont pas d'anisotropie magnétique, et leur aimantation est difficile à saturer, même sous 5 T. D'autre part, la taille des domaines magnétiques semble dépasser celle d'un plot unique, ce qui pourrait être le signe d'interactions magnétiques entre plots.