Magnétisme, retournements par courant et propagation de parois de domaine dans des couches minces simples et couplées de matériaux ferrimagnetiques à base de Gd

Magnetism, current-induced switchings and domain-wall propagation in single and exchange coupled Gd based ferrimagnets thin films

• Auteur / Autrice : Jean-Loïs Bello
• Direction : Michel Hehn, Stéphane Mangin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Andrew D. Kent
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Hehn, Stéphane Mangin, Stefania Pizzini, Gilles Gaudin, Roman Morgunov
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefania Pizzini, Gilles Gaudin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antiferromagnétisme

Pulvérisation cathodique

Matériaux ferrimagnétiques

Transfert de spin

Domaines magnétiques

Spintronique

Mots clés libres

Electronique de spin

Parois de domaines

Couple de transfert de spin

Matériaux ferrimagnétiques

Dépôt de couches minces

Antiferromagnétiques synthétiques

Ferrimagnets

Thin films deposition

Synthetic antiferromagnets

Spin-Torques

Spintronics

Domain-Wall

Résumé

Les découvertes qui ont suivi l'émergence de l'électronique de spin ont révolutionné la technologie, particulièrement dans le domaine de la télécommunication et du stockage de données. L'électronique de spin est un champ de recherche qui combine l'étude d'une propriété intrinsèque de l'électron appelée spin qui est liée à un moment magnétique intrinsèque et la charge de l'électron. Dans un monde où la consommation d'énergie entrainée par le trafic internet et le stockage de l'information double tous les 4 ans en moyenne, l'électronique de spin doit faire face à de nouveaux défis. Afin de satisfaire les besoins d'un stockage plus dense, plus rapide et moins couteux en énergie, la manipulation de l'aimantation au moyen de courant de spin est très prometteur et a permis de proposer de nouveaux concepts comme la propagation de parois magnétiques en utilisant de tels courants. Les matériaux dont l'aimantation est perpendiculaire au plan de la couche ont été l'objet d'intenses recherches et sont cruciaux dans le développement de mémoires magnétiques telles que les disques durs ou les MRAM. Parmi ces matériaux, les films minces de l'alliage amorphe terre rare / métal de transition sont connus pour leurs intéressantes propriétés magnétiques. Une aimantation perpendiculaire à de faibles anisotropies peut être stabilisé et la compensation du moment magnétique total peut être obtenu en fonction de la composition et de la température. En plus des champs magnétiques, il a été montré que l'aimantation peut être retournée au moyen de courant polarisé en spin ou par pulse laser femto-seconde. Puisque ce matériau semble prometteur, nous avons concentré notre travail sur des multicouches incluant ce matériau. On rapporte en premier la dépendance des propriétés magnétiques de couches simples d'alliage ferrimagnétique Gdx(Fe90Co10)100-x en fonction de la composition et de la nature des interfaces. Des couches de 5 nm de Gdx(Fe90Co10)100-x ont été intégrées dans différentes multicouches, toutes déposées par pulvérisation cathodique magnétron. Pour des valeurs de x comprises entre 22% et 33 %, nous montrons que la composition à laquelle intervient la compensation magnétique dépend des couches au dessus et en dessous de notre alliage. Nous avons étudié différentes interfaces M/GdFeCo/N avec M ou N = Cu, Pt, Ta, Ir. Puis, nous avons élaboré un empilement GdFeCo/Ir/GdFeCo en variant l'épaisseur d'Ir. Nous montrons qu'il est possible d'obtenir un couplage antiferromagnétique. De telles structures, appelées antiferromagnétiques synthétiques se sont révélées performantes quant à la vitesse de propagation de parois de domaines. Dans cette thèse, nous proposons de combiner les propriétés du GdFeCo ainsi que celles du couplage antiferromagnétique. Dans des dispositifs micrométriques, nous avons ensuite étudié le retournement de l'aimantation sous l'effet de couple de spin dans nos systèmes antiferromagnétiques synthétiques ainsi que dans les couches simples qui les composent. Si le retournement de l'aimantation conventionnel qui requiert un champ magnétique externe a pu être observé, nous avons également trouvé que le renversement s'obtient en l'absence de champ externe. Après de plus amples investigations, notamment par l'imagerie de domaines magnétiques au moyen d'un microscope Kerr, nous avons montré qu'il s'agit de l'effet du champ généré par l'injection de courant qui ne peut pas du tout être négligé dans nos échantillons. Cela conduit à un comportement de l'aimantation très particulier et affecte fortement le retournement par couple de spin. Enfin, nous avons regardé la propagation de parois de domaines et nos résultats préliminaires montrent des propriétés intéressantes à condition d'éliminer le champ induit par le courant. Cette étude nous a donné des premières pistes à explorer en fonction des nombreuses interactions et paramètres qui peuvent être ajuster dans les antiferromagnétiques synthétiques à base de GdFeCo.

The discoveries ensuing the emergence of spintronics have revolutionized technology, especially in communication and data storage. Spintronics is a field of research that combines the study of an intrinsic property of the electron, the spin to which is bound an intrinsic magnetic moment and the charge of the electron. In a world where the energy consumption of internet traffic and data storage doubles every four years, Spintronics faces new challenges. To meet the need to increase the density, the operation speed and to lower the power consumption of memory devices, using spin-currents to manipulate the magnetization is very promising and has led to new ideas of possible devices in which such currents are used to propagate magnetic domain-walls. Materials with perpendicular to film plane magnetization have been the subject of intense research and they are crucial for the development of magnetic memories such as hard disk drive or MRAM. Among those, amorphous rare-earth transition-metal GdFeCo thin films are well-known to exhibit many interesting magnetic properties. Perpendicular magnetization can be stabilized with weak anisotropies and a total moment compensation can be achieved depending on the concentration and the temperature. In addition to magnetic fields, its magnetic moment has been shown to be switched either by single femtosecond laser pulse or spin-orbit torque. Since this material appears to be promising for future spintronics applications, we focused on the study of the magnetic properties of multilayers that include this material. We first report the dependence of magnetic properties in Gdx(Fe90Co10)100-x ferrimagnetic alloys single layers on the composition and on the nature of the interfaces. 5nm thick Gdx(Fe90Co10)100-x layers were integrated in different multilayers, all grown by magnetron sputtering. For x between 22% and 33%, we show that the composition at which the magnetic compensation occurs changes depending on the layers under and over the TE-RM layer. We studied different interfaces M/GdFeCo/N with M or N = Cu, Pt, Ta, Ir. Then, for GdFeCo layers having out of plane magnetization, more complex structures have been grown associating two GdFeCo layers. Especially, we grew GdFeCo/Ir/GdFeCo with varying Ir thickness. We show that it is possible to have an antiferromagnetic coupling. Those synthetic antiferromagnets are proven to improve the velocity of propagation of magnetic domain-wall. In our work, we propose to combine the properties of such a structure with the ones of GdFeCo. After micro-fabrication of devices, we have first investigated the magnetization reversal induced by spin-torques in our synthetic antiferromagnetic systems and the layers that compose them. If standard switching that requires an external magnetic field has been observed, we also have found that switching occurs in the absence of magnetic field. After further measurements, especially with magnetic domain imaging with a Kerr microscope, we have shown that the field induced by the current injection cannot be neglected, leads to a peculiar behavior of the magnetization in our devices and strongly affects spin-torque switching. Finally, we looked into the domain-wall propagation and our preliminary results show promising features at the condition to eliminate the current-induced fields. This study has given us first hints and possibilities to be explored as a function of the numerous interactions and parameters that can be tuned especially in GdFeCo-based synthetic antiferromagnets.