Étude de la dynamique d'aimantation pour les dispositifs spintroniques à haute performance

Study of Magnetization Dynamics for High-Performance Spintronic Devices

• Auteur / Autrice : Zhizhong Zhang
• Direction : Arnaud Bournel, Youguang Zhang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 29/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec Beihang university (Pékin)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Dafiné Ravelosona
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liliana-Daniela Buda, Ke Xia, Zheng Zheng
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Liliana-Daniela Buda, Ke Xia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Antiferromagnétisme

Ferrimagnétisme

Résonance magnétique

Spintronique

Mots clés libres

Dispositifs spintroniques

Dynamique magnétique

Ferrimagnétisme

Antiferromagnétisme

Spintronics devices

Magnetic dynamics

Ferrimagnetic

Antiferromagnetic

Résumé

Le développement rapide des technologies de l'information impose des exigences plus élevées aux dispositifs électroniques. Les performances des dispositifs électroniques basés sur le CMOS approchant de la limite théorique, le monde universitaire et l'industrie recherchent de toute urgence une technologie alternative pour des dispositifs électroniques plus performants. Parmi les nombreuses voies technologiques, la spintronique est considérée comme une voie prometteuse, car elle permet non seulement d'atteindre d'excellentes performances, mais aussi d'être fabriquée de manière compatible avec la fabrication CMOS. La recherche sur les dispositifs spintroniques s'est intensifiée et de nouveaux mécanismes physiques sont apparus. L'étude approfondie de ces mécanismes et leurs applications sont la base du développement de dispositifs spintroniques de haute performance. Le contenu de cette thèse se concentre sur le travail de recherche de la dynamique magnétique pour les dispositifs logiques et de stockage spintroniques sous trois aspects : le principe de la dynamique de magnétisation, l'établissement d'un cadre numérique de simulation micromagnétique pour différents matériaux (c'est-à-dire un matériau ferrimagnétique et un matériau antiferromagnétique non colinéaire), et la conception de dispositifs spintroniques basés sur la dynamique de magnétisation d'un matériau ferrimagnétique et antiferromagnétique non colinéaire. Grâce à des dérivations théoriques et des calculs numériques, nous étudions les principes de base de la dynamique de magnétisation à l'échelle nanométrique et établissons le cadre de simulation de la dynamique de magnétisation qui peut simuler les matériaux ferrimagnétiques et antiferromagnétiques non colinéaires. En outre, nous explorons également certains phénomènes uniques de dynamique de magnétisation dans différents systèmes de matériaux. En même temps, une série de dispositifs logiques et de stockage à haute performance sont conçus sur la base des mécanismes de magnétisation dynamique de différents matériaux, et les performances des dispositifs conçus sont vérifiées sur la base du nouveau cadre de simulation de la magnétisation dynamique.

The rapid development of information technology places higher demands on electronic devices. As the performance of CMOS-based electronic devices approaches the theoretical limit, academia and industry are urgently seeking an alternative technology for higher performance electronic devices. Among the many technological avenues, spintronics is considered a promising one, as it not only achieves excellent performance, but can also be manufactured in a manner compatible with CMOS fabrication. Research on spintronic devices has intensified and new physical mechanisms have emerged. The in-depth study of these mechanisms and their applications are the basis for the development of high performance spintronic devices. The content of this thesis focuses on the research work of magnetic dynamics for spintronic logic and storage devices in three aspects: the principle of magnetization dynamics, the establishment of a numerical framework for micromagnetic simulation for different materials (i.e., ferrimagnetic material and non-collinear antiferromagnetic material), and the design of spintronic devices based on the magnetization dynamics of ferrimagnetic and non-collinear antiferromagnetic material. Through theoretical derivations and numerical calculations, we investigate the basic principles of nanoscale magnetization dynamics and establish the magnetization dynamics simulation framework that can simulate non-collinear ferrimagnetic and antiferromagnetic materials. In addition, we also explore some unique magnetization dynamics phenomena in different material systems. At the same time, a series of high-performance logic and storage devices are designed based on the dynamic magnetization mechanisms of different materials, and the performance of the designed devices is verified based on the new dynamic magnetization simulation framework.