Spintronique dans les matériaux 2D : du graphène au h-BN

Spintronics with 2D materials : from graphene to h-BN

• Auteur / Autrice : Maëlis Piquemal
• Direction : Pierre Seneor, Bruno Dlubak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/03/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Albert Fert (Palaiseau, Essonne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Annick Loiseau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annick Loiseau, David Halley, Jean-Christophe Charlier, Nicolas Rougemaille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Halley, Jean-Christophe Charlier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt chimique en phase vapeur

Nitrure de bore

Graphène

Magnétorésistance

Spintronique

Mots clés libres

Spintronique

Jonctions tunnel magnétiques

Matériaux 2D

Graphène

H-BN

CVD

Spintronics

Magnetic tunnel junctions

2D materials

Graphene

H-BN

CVD

Résumé

Aujourd'hui se pose une question fondamentale sur le futur de l'électronique actuelle. De plus en plus, des circuits hybrides intégrant de nouvelles fonctionnalités sont fabriqués. On envisage même, à plus long terme, des circuits basés sur une technologie différente de l'approche CMOS utilisée actuellement. Une de ces technologies est la spintronique qui tire profit du spin, degré de liberté supplémentaire de l'électron. Elle a rapidement fait ses preuves par le passé dans le stockage non volatile binaire (disques durs) et s'oriente aujourd'hui vers de nouvelles mémoires magnétiques ultra-performantes et basse consommation les MRAMs (Magnetic Random Access Memories). En parallèle, une nouvelle catégorie de matériaux à fort potentiel a émergé : les matériaux bidimensionnels (2D). Ces matériaux, dont le fer de lance est le graphène (une couche d'un atome d'épaisseur de graphite), offrent de nouvelles propriétés inégalées. Leur combinaison via la fabrication d'hétérostructures et la capacité d'avoir un contrôle de leur épaisseur à l'échelle atomique pourrait devenir un atout majeur en électronique et plus particulièrement en spintronique. L'objectif de cette thèse a été l'étude de l'intégration et la démonstration du potentiel en termes de fonctionnalités et de performances de ces nouveaux matériaux 2D au sein de jonctions tunnel magnétiques (MTJs), le dispositif prototype de la spintronique. Au cours de cette thèse, nous avons poursuivi les travaux initiés au laboratoire sur l'intégration dans des MTJs du graphène obtenu via une méthode de dépôt CVD (dépôt chimique en phase vapeur) directe sur l’électrode ferromagnétique inférieure. Nous avons démontré que les propriétés de filtrage en spin et de membrane protectrice contre l'oxydation de l'électrode ferromagnétique (FM) sous-jacente s'étendaient à une unique couche de graphène. Par ailleurs, nous avons aussi pu étudier et améliorer significativement l'amplitude du filtrage en spin et du signal de magnétorésistance observé via l'optimisation des procédés de croissance et d'intégration et le choix de différentes configurations de matériaux ferromagnétiques (Ni(111), Co...). De forts effets de filtrage de spin ont ainsi pu être observés avec des magnétorésistances allant de -15% à plus de +80%, soit presque trois fois l'état de l'art. En parallèle, nous nous sommes aussi intéressés à un autre matériau 2D, le nitrure de bore hexagonal (h-BN), isolant isomorphe du graphène qui s'apparenterait à une barrière tunnel d'un seul atome d'épaisseur. Afin d’étudier le h-BN dans une MTJ, nous avons décidé d’exploiter à nouveau le principe d’une croissance directe par CVD du matériau 2D sur le matériau FM. Des mesures CT-AFM (Conductive Tip Atomic Force Microscopy) nous ont permis de démontrer les propriétés de barrière tunnel homogène du h-BN ainsi que le contrôle possible de la hauteur de barrière avec le nombre de couches de h-BN. De plus, des mesures électriques et de magnétotransport nous ont permis de confirmer l’intégration réussie de la barrière tunnel h-BN dans notre MTJ. Nous avons pu obtenir les premiers résultats de forte magnétorésistance pour du h-BN avec une amplitude de la magnétorésistance de +50%, plus d'un ordre de grandeur au-dessus de l'état de l'art, révélant le potentiel du h-BN. Nous avons enfin aussi pu démontrer l'importance du couplage entre le h-BN et l'électrode FM offrant un potentiel de contrôle inédit sur les effets de filtrage en spin et allant jusqu'à rendre le h-BN métallique. Lors de cette thèse, nous avons pu montrer que l’intégration du graphène et du h-BN dans des MTJs via la croissance directe par CVD est un procédé privilégié pour tirer pleinement profit de leurs propriétés. Les résultats obtenus de forte magnétorésistance et de filtrage en spin laissent entrevoir le fort potentiel du graphène, du h-BN mais aussi des autres nouveaux matériaux 2D à venir pour les MTJs. Ces études ouvrent une nouvelle voie d’exploration pour les MTJs : les 2D-MTJs.

Nowadays a critical issue is raised concerning the future of current electronics. Increasingly, hybrid circuits with new functionalities are manufactured. A longer term approach is even contemplated with circuits based on a technology different from the one currently used (CMOS technology). One of these envisioned technologies is spintronics, which benefits from the spin properties, the electron additional degree of freedom. Spintronics has quickly proven its worth in the past in the field of non volatile data storing (hard drives) and is today moving towards new fast and ultra-low-power magnetic random access memories the MRAMs. Meanwhile, these last few years, a new category of materials with high potential has emerged : the bidimensional materials (2D). These materials, with graphene (one atomically thick layer of graphite) as the forerunner, provide new unrivaled properties. Their combination in the form of heterostructures and the ability to obtain a control of their thickness at the atomic scale could be a major asset for electronics and more specifically spintronics. The purpose of this thesis has been the study of the integration and the demonstration of the potential in terms of functionalities and performances of these new 2D materials inside the prototypical spintronic device: the magnetic tunnel junction (MTJ). During this thesis, we have pursued the work initiated by the laboratory on the integration of graphene in MTJs with direct CVD deposition method (chemical vapor deposition) on the underlying ferromagnetic electrode. We demonstrated that the spin filtering and protective membrane properties (preventing the oxidation of the underlying ferromagnetic electrode (FM)) observed earlier expand to a graphene monolayer. Furthermore, we have also studied and improved significantly the amplitude of the spin filtering and the magnetoresistance signal observed. This was done thanks to the optimization of the growth process, integration, and choice of the different configurations of ferromagnetic materials in our structures (Ni(111), Co...). High spin filtering effects have been observed as a function of the configurations with magnetoristances ranging from -15% to beyond +80%, which is almost three times the state of the art. Meanwhile, we looked at another 2D material, the hexagonal boron nitride (h-BN), an insulating isomorph of graphene which could be considered as an atomically thin tunnel barrier. In order to study h-BN into a MTJ, we took again advantage of direct CVD growth of the 2D material on a ferromagnet. CT-AFM (Conductive Tip Atomic Force Microscopy) measurements allowed us to demonstrate the homogeneous tunnel barrier properties of h-BN and the possible control of the barrier height with the number of h-BN layers. Simultaneously, electrical and magnetotransport measurement in the complete junction allowed us to confirm the achieved integration of the h-BN tunnel barrier into our MTJ. We have been able to obtain the first results of high magnetoresistance for h-BN with values one order of magnitude beyond the state of the art. A magnetoresistance of +50% has been reached, thanks to the optimization of the growth process revealing the potential of h-BN. We have also been able to show the important role of the coupling between h-BN and the FM electrode offering an unprecedented potential of control on the spin filtering effects, ranging up to making the h-BN metallic. During this thesis, we have been able to demonstrate that the integration of graphene and h-BN in MTJs through direct CVD growth is a promising process in order to fully exploit their properties. The results obtained of high magnetoresistance and spin filtering point to the high potential for MTJs of graphene and h-BN but also to all the new 2D materials to come. These studies pave the way for exploring a new path for MTJs : the 2D-MTJs.