Laboratoire : LPCNO, équipe Nanomagnétisme, INSA Toulouse

Encadrants : Benjamin Lassagne, Thomas Blon

Contacts : lassagne@insa-toulouse.fr, thomas.blon@insa-toulouse.fr

Tel : 05 61 55 96 70

Mots clés : graphène, capteurs de champ magnétique, effet Hall, matériaux 2D, hétérostructures de van der Waals.

 

Le graphène est un matériau d’épaisseur monoatomique, composé uniquement de carbones hybridés sp2 et doté de propriétés extraordinaires dont notamment une structure électronique purement 2D, une masse effective nulle, une mobilité électronique record de 180 000 cm²/V/s à température ambiante, une densité électronique aisément modulable avec une grille électrostatique, ou encore une très grande résistance mécanique. Depuis sa découverte en 2004 [1], le graphène bénéficie ainsi d’un fort engouement de la communauté scientifique qui envisage son utilisation dans une vaste gamme d’applications innovantes en nano-électronique [2], métrologie [3], optoélectronique [4], magnétométrie [5] ou encore pour l’étude de supraconducteurs exotiques [6].

L’équipe Nanomagnétisme (Nmag) du LPCNO s’est spécialisée dans l’étude des propriétés galvanomagnétiques du graphène avec pour objectif final de fabriquer des capteurs magnétiques à effet Hall ultrasensibles constitués d’hétérostructures nitrure de bore/graphène/nitrure de bore(hBN). Elle a récemment développé un modèle complet et inédit pour la compréhension fine du fonctionnement des capteurs à effet Hall en graphène ce qui lui a permis d’améliorer largement leurs performances [7].

Figure. (a) Capteur à effet Hall fabriqué au LPCNO à partir d’une hétérostructure hBN/graphène/hBN. (b) et (c) Résistance R et sensibilité magnétique S expérimentale du capteur à température ambiante sous 100 mT pour deux valeurs du courant de polarisation. (d) et (e) R et S simulé à partir du modèle développé par le LPCNO [7].

L’équipe Nmag utilise désormais ces capteurs à effet Hall en graphène pour la mesure des propriétés magnétiques statiques et dynamiques de systèmes ferromagnétiques (FM) de taille nanométrique. Le premier axe concerne la mesure, notamment à températures cryogéniques, de matériaux FM 2D de van der Waals très prometteurs tels que CrI3, CrBr3, Cr2Ge2Te6 ou FexGeTey [8], avec pour finalité la réalisation d’hétérostructures à vanne de spin graphène/matériaux 2D FM [9]. Le second axe concerne la détection des excitations magnétiques hautes fréquences dans des plots ferromagnétiques ou des lignes de propagation d’ondes de spin. La preuve de concept d’une telle détection pourrait lever le verrou technologique autour de la détection d’onde de spin à l’échelle nanométrique et ouvrir la voie à des dispositifs magnoniques [10].

 Le stage proposé concerne (i) la fabrication et la caractérisation des capteurs à effet Hall, (ii) la mesure des propriétés magnétiques de matériaux 2D ferromagnétiques dans des hétérostructures hBN/graphène/hBN/2D FM/hBN, et/ou la détection de la résonance ferromagnétique dans des plots magnétiques recouverts d’une hétérostructure hBN/graphène/hBN en collaboration avec le CEMES-CNRS Toulouse. Rémunération : 567€ par mois.

 Ce stage de master 2 pourra éventuellement se poursuivre en thèse sous réserve de l’acquisition d’un financement.

Profil recherché :

Titulaire d’un master 2 ou d’un diplôme d’ingénieur, spécialité physique de la matière, nano-physique et nanotechnologie. L’étudiant(e) devra avoir un attrait certain pour l’expérimentation et la pluridisciplinarité. Il/elle devra être méticuleux(se), organisé(e) et faire preuve d’initiative et d’autonomie.

Références bibliographiques

[1] K.S. Novoselov et al, Science, 306, 666 (2004) 

[2] F. Schwierz et al, Nat. Nano., 5, 487 (2010)

[3] K.S. Novoselov et al, Nature, 438, 04233 (2005)

[4] W. Zhang et al, Sci. Rep., 4, 3826 (2014)

[5] B. Shaeffer et al, Nat. Comm., 11, 4163, (2020)

[6] J. M. Park et al, Nature, 590, 249 (2021)

[7] L. Petit et al, NanoExpess, en revue (2023)

[8] C. Gong et al, Nature, 546, 265 (2017)

[9] T. Song et al, Science, 360, 1214 (2018)

[10] A. Chumak et al, Nat Com., 5, 4700 (2014)