Manipulation de parois de domaine dans les nitrures ferrimagnétiques anti-pérovskites

Manipulation of Domain Walls in Anti-perovskite Ferrimagnetic Nitrides

• Auteur / Autrice : Sambit Ghosh
• Direction : Jean-Philippe Attané, Laurent Vila, Takashi Suemasu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 04/07/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Tsukuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble) - Université de Tsukuba
• Jury : Président / Présidente : Liliana-Daniela Buda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hideto Yanagihara, Stefania Pizzini, Seiji Mitani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mangin, Yoshichika Otani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferrimagnétiques

Matière condensée

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Matiere condensée

Nanomagnétisme

Spintronics

Nanomagnetism

Condensed matter

Résumé

Les frontières entre les domaines magnétiques sont appelées parois de domaine (DW). Le mouvement de ces parois à l'aide de champs magnétiques ou de courants polarisés en spin a été l'un des principaux axes de recherche en spintronique des deux dernières décennies. Un mécanisme conduisant au mouvement de paroi sous courant est le couple de transfert de spin, où le courant polarisé en spin est généré dans la couche ferromagnétique. L'autre mécanisme est le couple spin-orbite, aujourd’hui largement utilisé, et où le courant polarisé en spin est généré par une couche adjacente de matériau spin-orbite. Récemment, le contrôle de l'aimantation par injection de courant dans les matériaux ferrimagnétiques est devenu un important domaine de recherche. La compensation magnétique et/ou de moment cinétique peut être obtenue en modifiant la température ou en modifiant la composition des matériaux. Comme l'aimantation qui doit être renversée est faible près de ces points, des études récentes ont mis en évidence de grandes vitesses de DW sous l'action de couples spin-orbite. Dans ce manuscrit, nous traitons de la propagation des parois de domaine sous l’effet d’un couple de transfert de spin dans un nitrure ferrimagnétique épitaxié, le nitrure de manganèse (Mn4N).Nous montrons que les couches minces de Mn4N développées par épitaxie sur un substrat de SrTiO3 ont une très faible aimantation, et des domaines à l'échelle millimétrique avec un ancrage très faible. Dans ce système, le mouvement des parois de domaine a été étudié en fabriquant des nanofils par lithographie. En utilisant des mesures d’effet Kerr magnéto-optiques, nous avons mesuré des vitesses de paroi de plus de 900 m/s dans Mn4N à J = 1.3 TA/sq.m, à température ambiante, et avec seulement un couple de transfert de spin.Afin d'atteindre le point de compensation, différents échantillons ont été épitaxiés par substitution de Ni. Des mesures de dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X(XMCD) ont montré que les atomes de Ni occupent préférentiellement le site du coin à Mn4N. Puisque le moment magnétique porté par les atomes de Ni est anti-parallèle à celui des Mn de coin, l'augmentation de la teneur en Ni diminue le moment magnétique net. Au-delà d'une concentration critique en Ni, l'aimantation nette devrait alors s'inverser. En utilisant les valeurs des mesures de diffraction des neutrons, le point de compensation magnétique attendu se situe autour de 3.6 % de Ni. La présence du point de compensation magnétique autour de cette concentration est confirmée par des mesures de XMCD et d'effet Hall anormal. Les vitesses de la paroi augmentent à mesure que la concentration de Ni se rapproche du point de compensation, avec une vitesse atteignant 2000 m/s avant le point de compensation et approchant 3000 m/s après avoir traversé le point de compensation. Nous avons également observé une inversion de la direction du mouvement de la paroi au-delà du point de compensation. Afin d'expliquer ces résultats, nous avons utilisé le modèle q – ϕ. Si l'on suppose que la polarisation de spin ne change pas après le point de compensation du moment cinétique, l'inversion du mouvement de la paroi du domaine est due à un changement relatif d'orientation de la polarisation de spin nette par rapport à l'aimantation globale. Pour confirmer la validité de ces hypothèses, des calculs ab-initio ont été effectués, montrant que l'aimantation nette est inversée à la concentration de Ni x = 0.15, ce qui correspond bien à nos résultats expérimentaux. Les simulations confirment que la conduction électrique à lieu principalement sur les atomes de centres de faces , et qu’à la transition la polarisation du spin reste dans la même direction alors que la direction de l'aimantation nette est inversée. Les matériaux étudiés, composés d'éléments abondants, et exempts d'éléments critiques comme les terres rares et les métaux lourds, sont ainsi des candidats prometteurs pour des applications de spintronique durable.

The boundaries between magnetic domains are known as domain walls (DW). The motion of these DWs using magnetic fields or spin polarized currents has been one of the main focus of spintronics research in the last two decades. One mechanism leading to current induced domain wall motion is the spin transfer torque, where the spin polarized current is generated within the ferromagnetic layer and exerts a torque on the local magnetic moments of the domain walls. The other mechanism is the spin orbit torque, which is now widely used for the domain wall motion experiments, and where the spin polarized current is generated by an adjacent heavy metal layer.Recently, current-induced magnetization dynamics in ferrimagnets has become an active field of research. The magnetic and/or the angular momentum compensation can be achieved by either changing the temperature or by changing the composition of the materials. As the magnetization or the angular momentum that has to be reversed is small close to these points, previous reports on ferrimagnets have evidenced large domain wall velocities under action of spin orbit torques. In this manuscript we will focus on current-driven domain wall dynamics in an epitaxial rare-earth free ferrimagnetic nitride, Manganese Nitride (Mn4N), using spin transfer torques.We show that epitaxially grown Mn4N thin films grown on SrTiO3 substrate have a very low magnetization and mm-scale domains with very low pinning. On this system, DW motion was studied by fabricating nanowires by e-beam lithography. Using magneto optic kerr measurements, we measured a high domain wall velocity of more than 900 m/s in Mn4N at J = 1.3 TA/sq.m, at room temperature, with only spin transfer torque.In order to reach the compensation point, different samples were grown epitaxially while increasing the doping Ni concentration. X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) measurements showed that the Ni atoms preferentially occupy the corner site in Mn4N. Since the magnetic moment carried by the Ni atoms is anti-parallel to that of Mn corner atoms , increasing the Ni content decreases the net magnetic moment. Beyond a critical Ni concentration, the net magnetization is then expected to be reversed. Using the values from neutron diffraction measurements, the expected magnetic compensation point lies around Ni atomic concentration of x = 0.18 which corresponds to 3.6% of Ni. The presence of the magnetic compensation point around this concentration is confirmed by XMCD and Anomalous Hall effect measurements. The DW velocity is found to increase as the Ni concentration gets closer to the angular momentum compensation point, with a velocity up to 2000 m/s before the compensation point and approaching 3000 m/s after crossing the compensation point. Interestingly it was also observed that the DW motion direction is reversed beyond the compensation point. In order to explain these results, we used the q–ϕ model, expanded to a ferrimagnetic system consisting of two sub-lattices, and using effective magnetic parameters for the two sub-lattices. If one assumes that the spin polarization does not change after the angular momentum compensation point, the DW motion reversal is therefore due to a relative change of orientation of the net spin polarization with respect to global magnetization.To confirm the validity of these assumptions, ab-initio calculations were performed, showing that the net magnetization is reversed at the Ni concentration x = 0.15, which match well with our experimental results. The simulations confirms that the conduction occurs through the Mn face centered sites, and that the spin polarization remains in the same direction (given by corner sites) while the net magnetization direction is reversed.The studied materials, composed of abundant elements, and free of critical elements such as rare-earths and heavy metals, are thus promising candidates for sustainable spintronics applications.