Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)

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Propriétés physiques de l’interface Co(0001)/MoS2 pour l’injection électrique de spin dans un feuillet unique de MoS2

Publié dans Physical Review B. (2017)

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

Le groupe MEM du CEMES, en collaboration avec l’équipe Optoélectronique Quantique du LPCNO, a étudié les propriétés électroniques et magnétiques de l’interface Co/MoS2 par des méthodes ab initio. Une parfaite connaissance de la structure atomique et des propriétés physiques de ce type d’interfaces est indispensable pour établir un contact électrique de qualité entre un feuillet unique de MoS2 et une électrode ferromagnétique. Un tel contact devrait permettre d’injecter un courant de spin dans ce semiconducteur bidimensionnel, ce qui ouvrirait la voie de l’élaboration de composants pour la spintronique à base de MoS2.

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(a) : Structure atomique de la supercellule utilisée pour étudier l’interface Co/MoS2 (b) : Structure de bandes pour les électrons de spin majoritaire (les cercles rouges indiquent les bandes auxquelles contribue le feuillet de MoS2 ; la flèche bleue indique le bas de la bande de conduction de MoS2). (c) : Transferts de charge induits par la formation de liaisons covalentes aux interfaces Co/MoS2 (les lobes rouges et verts correspondent respectivement à un gain et à une perte d’électrons de spin majoritaire).

Lorsqu’il se présente sous la forme d’un feuillet unique, MoS2 est un semiconducteur bidimensionnel à gap direct qui absorbe la lumière dans le domaine des longueurs d’onde visibles. La prise en compte du couplage spin-orbite et l’absence de symétrie d’inversion de ce cristal ont des conséquences importantes sur sa structure de bandes, qui s’organise en 2 familles de vallées non-équivalentes dans la 1ère zone de Brillouin (les vallées K et K’). Les degrés de liberté de vallée et de spin sont en fait intimement couplés. Ces caractéristiques uniques font que les dichalcogénures de métaux de transition, tels que MoS2, sont des matériaux de choix pour concevoir et élaborer des composants originaux pour l’électronique, l’optoélectronique, la spintronique ou la « vallée-tronique » (discipline consistant à utiliser l’indice de vallée comme degré de liberté pour stocker et manipuler une information). Le fonctionnement des composants basés sur un feuillet unique de MoS2 reposerait sur la manipulation des courants de charge ou de spin injectés dans ce semiconducteur bidimensionnel. Ce fonctionnement est toutefois conditionné à la possibilité d’injecter un courant électrique ou un courant de spin dans ce matériau. La possibilité de cette injection dépend des caractéristiques physiques (structure atomique, structure électronique, structure magnétique) de l’interface entre le métal d’électrode et MoS2. C’est dans ce contexte que nous avons utilisé des méthodes basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, pour étudier l’interface entre le cobalt ferromagnétique et MoS2.

Nos calculs ont permis de déterminer la structure atomique de l’interface entre un feuillet de MoS2 (supercellule 4x4) et la surface (0001) du cobalt hexagonal compact (supercellule 5x5). La structure d’interface de plus basse énergie fait intervenir des atomes de soufre qui forment des liaisons covalentes avec 1, 2 ou 3 atomes de cobalt. Nous avons calculé la structure de bandes de cette interface. On peut y reconnaître les bandes de conduction et de valences d’un feuillet de MoS2 isolé, de part et d’autres du niveau de Fermi, ainsi que des bandes d’interface, localisées dans la bande interdite de MoS2 et qui sont une conséquence des liaisons covalentes entre les atomes de cobalt et de soufre. Ces nouvelles bandes croisent le niveau de Fermi et donnent au feuillet de MoS2 un caractère conducteur, avec une polarisation en spin non-nulle au niveau de Fermi. Nous avons évalué à 0.32 eV la hauteur de la barrière de Schottky qui se formerait à la frontière entre la phase métallique de MoS2 reliée à l’électrode de cobalt et le canal semiconducteur formé par le même feuillet de MoS2 loin du contact métallique.

 

Référence de l’article

Electronic structure of the Co(0001)/MoS2 interface and its possible use for electrical spin injection in a single MoS2 layer
T. Garandel, R. Arras, X. Marie, P. Renucci, and L. Calmels
PHYSICAL REVIEW B 95, 075402 (2017)
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.95.075402

 

Contact

Lionel Calmels – Professeur Université Paul Sabatier – CEMES-CNRS