Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique des nanostructures IPN (Laboratoire de physique des matériaux nanostructurés LPMN)

Longueur de diffusion de spin et magnétisme de structures nanotubes de carbone / matériaux ferromagnétiques

Hoffer, Xavier ; Ansermet, Jean-Philippe (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3097.

Add to personal list
    Summary
    The aim of this thesis work is to study the spin-dependent transport in multiwalled carbon nanotubes (MWNT). To do so, the electrical resistance of MWNT contacted between ferromagnetic electrodes has been measured, as a function of the contacts magnetic configuration and temperature. An original sample fabrication process to contact MWNT has been developed. The MWNT growth is achieved via chemical vapour deposition in the pores of an alumina template, with electrodeposited nickel or cobalt nanowires as catalyst. The pores are 1,5 µm, in length, and 40 nm in diameter. The second electrical contact is sputter deposited or evaporated over the membrane surface. This geometry allows us to contact MWNT between ferromagnetic electrodes, which magnetisation states versus the applied magnetic field are known. Furthermore, the electrical current flows perpendicularly to the plane of the contacts layers. Finally, it enables us to tune the length of the MWNT between the electrodes. The features of the measured spin-dependent magnetoresistance (SD-MR) signals cannot be correctly interpreted with common tunnel or giant magnetoresistance approaches. Every MWNT which is less than 300 nm long between nickel contacts destroys the spin polarisation of the current. MWNT longer than 300 nm featured spin-dependent magnetoresistance signals, with a small amplitude and depending on the direction of the current. One 500 nm long MWNT between cobalt contacts shows 25% SD-MR signals at 2,5 K, at zero applied current. This signal is caused by a thermopower effect, and not by a spin polarised current. Another signal, from a 700 nm long between cobalt contacts is more similar to usual signals shown by magnetic tunnel junctions. In order to understand spin-dependent transport in MWNT, it is therefore necessary to determine first the electrical transport mechanisms, independent of the spin. Nowadays, it is still poorly understood. Therefore, besides spin-dependent transport measurements, we measured the conductance versus the temperature and the bias voltage. At temperatures below 50 K, the conductance diminishes as the temperature and the bias voltage decrease. This effect, called Zero-Bias Anomaly (ZBA), is a consequence of disorder and electron-electron interactions in our systems. 46 samples out of 113 have shown power law scaling laws of the ZBA. From these scaling-laws, we get the power law coefficient α. Such scaling laws have been observed many times for carbon nanotubes. However, none of these studies has such a large spectra for the values of α as we have : for our samples, α ranges between 0 and 1,7. With samples contacted via cobalt cobalt electrodes, α is usually larger than nickel contacted samples. Therefore, a single parameter α enables us to describe and characterise the electrical transport in our samples. The large number of measured samples allows us to correlate this coefficient α with other experimental parameters, such as the MWNT length, or the metallic or structural nature of the contact electrodes. We also have established the linear relation : ln G0 ~ A · α, with G0 the extrapolated conductance at 1 K. To our knowledge, this relation has not yet been predicted nor observed. The physical interpretation of this relation is interpreted in the Coulomb blockade formalism. Finally, a link between the weak localisation amplitude et the value of α has been displayed. In this case, the weak localisation amplitude not only depends on α, but also on the metallic nature of the electrodes.
    Résumé
    Le but de ce travail de thèse a été d’étudier le transport dépendant du spin dans les nanotubes de carbone multi-parois (MWNT). Pour ce faire, la résistance de MWNT contactés entre des électrodes ferromagnétiques de cobalt ou de nickel, en fonction de la configuration magnétique des contacts et de la température a été mesurée. Une méthode de production originale pour contacter les MWNT a ainsi été développée. La croissance des MWNT se fait par pyrolyse d’acétylène sur des nanofils de nickel ou de cobalt, électrodéposés au fond des pores d’une membrane en alumine. Les pores de la membrane ont une longueur de 1,5 µm pour un diamètre de 40 nm. Le deuxième contact ferromagnétique est déposé sur la surface de la membrane. Ce dépôt est réalisé par pulvérisation cathodique ou évaporation. Cette géométrie nous permet de contacter des MWNT entre des électrodes ferromagnétiques dont les états d’aimantation en fonction du champ magnétique appliqué sont connus. De plus, le courant électrique circule perpendiculairement au plan des électrodes ferromagnétiques, ce qui permet de nous placer dans la même configuration que pour les études de magnétorésistance. Enfin, il nous est ainsi possible de faire varier la longueur de MWNT contactée. Les caractéristiques des signaux de magnétorésistance dépendant du spin (SD-MR) obtenus ne peuvent pas être interprétés de manière correcte avec les schémas usuels de la magnétorésistance géante ou de la magnétorésistance tunnel. Les MWNT d’une longueur inférieure à 300 nm entre les contacts de nickel détruisent tous la polarisation en spin du courant. Des MWNT de longueur supérieure à 300 nm montrent des signaux de magnétorésistance dépendant du spin, de faible amplitude et qui dépendent du sens et de l’intensité du courant. Un échantillon avec un MWNT d’une longueur de 500 nm entre des électrodes de cobalt a montré des signaux de SD-MR d’une amplitude de 30% à 2,5 K, pour un courant de mesure nul. Cependant, ce signal est causé par une thermotension et non par un courant polarisé en spin. Un autre signal, d’un MWNT d’une longueur de 700 nm entre les contacts au cobalt est similaire à ceux obtenus avec des jonctions tunnel magnétiques. Pour comprendre le transport dépendant du spin dans les MWNT, il est donc nécessaire avant tout de comprendre le transport électrique indépendamment du spin. Il n’est à l’heure actuelle que très partiellement compris. Parallèlement aux mesures de transport dépendant du spin, nous avons donc également étudié la conductance en fonction de la température et de la tension de polarisation. A des températures inférieures à 50 K, la conductance diminue lorsque avec la température et la tension de polarisation diminuent. Ce phénomène, appelé Zero-Bias Anomaly est une manifestation du désordre et des interactions électrons-électrons dans ces systèmes. 46 échantillons sur 113 étudiés ont montré des lois d’échelle de la conductance. De telles lois d’échelle ont été observées de nombreuses fois sur les nanotubes de carbone. Cependant aucune étude n’a révélé un spectre des valeurs du coefficient de la loi de puissance α aussi élargi : dans notre cas, α est compris entre 0 et 1,7. Sur des échantillons contactés avec des électrodes de cobalt, α est globalement plus grand que les échantillons contactés avec des électrodes de nickel. Un seul paramètre α nous permet donc de décrire et d’étudier le transport électrique dans nos échantillons. Le nombre important d’échantillons caractérisés nous a permis d’établir des corrélations entre ce coefficient α et les autres paramètres accessibles à l’expérimentateur, tels que la longueur des MWNT ou la nature métallique ou structurelle des électrodes de contact. Nous avons également établi une relation linéaire entre ln G0, G0 étant la conductance extrapolée à 1 K, et le coefficient α. Cette relation n’a encore été ni observée, ni prédite, à nôtre connaissance. L’interprétation physique de cette découverte est discutée dans le formalisme du blocage de Coulomb. Enfin, nous avons également mis en évidence un lien entre l’amplitude de la localisation faible et la valeur du coefficient α pour des électrodes métalliques de même matériau. L’amplitude de la localisation faible augmente avec α. Ici cependant, l’amplitude de la magnétorésistance ne dépend pas que de α, mais aussi de la nature métallique des électrodes.