Spin-dependent hot electron transport and nanoscale magnetic imaging of metal/silicon structures

• Auteur / Autrice : Andreas Kaidatzis
• Direction : André Thiaville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs

Microscopie

Porteurs chauds

Mots clés libres

Calculs micromagnétiques

Multichouches magnétiques

Strutures métal

Transport dépendant du spin

Résumé

Nous étudions expérimentalement le transport dépendant du spin d’électrons chauds dans des multicouches (MC) magnétiques, qui contiennent des couches uniques magnétiques, ou des tricouches de type « vannes de spin » (VS). Pour cela, nous avons mis en œuvre la microscopie à émission d’électrons balistiques (BEEM), une extension à trois contacts de la microscopie à effet tunnel sur des structures métal/semiconducteur. La méthode mise au point pour satisfaire les nombreuses contraintes imposées par le BEEM sur les échantillons est décrite en détail. La transmission des électrons chauds dans des MC a été systématiquement mesurée dans la gamme d’énergie 1-2 eV au dessus du niveau de Fermi. De l’étude en fonction des épaisseurs des couches magnétiques nous avons déduit les longueurs d’atténuation des électrons chauds en fonction du spin et de l’énergie. Ces mesures, sur le cobalt et l’alliage doux NiFe, sont comparées à des calculs et résultats expérimentaux de la littérature. Pour des épaisseurs inférieures à la monocouche atomique, une organisation spatialement hétérogène a été observée, avec un effet très important sur la transmission BEEM, variant sur une échelle sub-nanométrique. En mode imagerie, nous avons étudié les configurations magnétiques de VS, en particulier des parois à 360° dans des couches de cobalt. Les effets de l’intensité et la direction du champ appliqué sur la structure de ces parois ont été observés. Ces résultats ont été comparés quantitativement à des calculs micromagnétiques, avec un accord excellent. Ceci a permis de montrer que la résolution magnétique de BEEM est meilleure que 50 nm.

In this work, we experimentally study spin-dependent hot electron transport through metallic multilayers (ML), containing single magnetic layers or “spin-valve” (SV) trilayers. For this purpose, we have set up a ballistic electron emission microscope (BEEM), a three terminal extension of scanning tunnelling microscopy on metal/semiconductor structures. The implementation of the BEEM requirements into the sample fabrication is described in detail. Using BEEM, the hot electron transmission through the ML’s was systematically measured in the energy range 1-2 eV above the Fermi level. By varying the magnetic layer thickness, the spin-dependent hot electron attenuation lengths were deduced. For the materials studied (Co and NiFe), they were compared to calculations and other determinations in the literature. For sub-monolayer thickness, a non uniform morphology was observed, with large transmission variations over sub-nanometric distances. This effect is not yet fully understood. In the imaging mode, the magnetic configurations of SV’s were studied under field, focussing on 360° domain walls in Co layers. The effects of the applied field intensity and direction on the DW structure were studied. The results were compared quantitatively to micromagnetic calculations, with an excellent agreement. From this, it can be shown that the BEEM magnetic resolution is better than 50 mn.