Etude d'hétérostructures magnétiques à anisotropie perpendiculaire par réflectivité magnétique résonante des rayons X mous

Study of magnetic heterostructures with perpendicular anisotropy by resonant magnetic reflectivity of soft X-rays

• Auteur / Autrice : Vartika Bansal
• Direction : Jean-Marc Tonnerre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 03/02/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Mairbek Chshiev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aristide Lemaître, Massimiliano Marangolo
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Boris Vodungbo, Thomas Hauet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique d'aimantation

Rayonnement synchrotron

Mots clés libres

Films ultra-Minces

Aimantation perpendiculaire

Rayonnement synchrotron

Réflectivité magnétique des rayons X

Profil d'aimantation

Nanomagnétisme

Ultra-Thin films

Perpendicular magnetization

Synchrotron radiation

X ray magnetic reflectivity

Magnetization profile

Nanomagnetism

Résumé

Le comportement magnétique dans les structures en couches minces a suscité un intérêt considérable pour ses applications technologiques très variées. Au fur et à mesure que la dimension des films magnétiques diminue, ils sont capables de présenter diverses propriétés magnétiques n'ayant pas d'équivalent dans le matériau en vrac à mesure que le magnétisme interfacial devient plus important. Cependant, sonder les interfaces magnétiques enterrées dans de telles hétérostructures peut être un défi majeur. L'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) est une telle quantité induite par l'interface qui se produit à l'interface entre différents types de matériaux. Cette thèse porte sur la détermination du profil d'aimantation hors plan à travers des films ferromagnétiques ultrafins enterrés avec divers matériaux adjacents par réflectivité magnétique des rayons X doux (SXRMR), fournissant ainsi une description directe du magnétisme aux interfaces inférieure et supérieure. Cette technique combine les informations résolues en profondeur de la réflectivité des rayons X avec la sélectivité des espèces du dichroïsme circulaire magnétique des rayons X pour sonder le profil de magnétisation dans le plan (ip) et hors du plan (oop) avec une résolution inférieure au nanomètre dans les couches minces .Les systèmes à base de métal lourd/ferromagnétique/oxyde sont bien connus pour leur capacité à fournir un PMA élevé se produisant principalement par l'hybridation à l'interface FM/oxyde par recuit à des températures plus élevées. Nous avons étudié le profil d'aimantation dans des séries d'échantillons de MgO/CoFeB/(W)/Ta avant et après recuit à différentes températures par des mesures au bord Fe L3. Une transition de l'axe magnétique facile de ip à oop pour les couches de couverture Ta et W a été observée, accompagnée de changements dans la distribution magnétique de Fe sur l'épaisseur de CoFeB. L'échantillon en couches de ta coiffe a montré un profil d'aimantation amélioré et plus homogène après recuit à un recuit à 340°C par rapport à une distribution de gradient avant recuit. Cette distribution s'est encore modifiée après un recuit à 400°C où l'axe magnétique facile est revenu à ip. Pour la couche de protection W, nous avons observé un profil de gradient avant ainsi qu'après le recuit à 400°C, mais accompagné d'une amélioration de l'aimantation aux deux interfaces.Nous avons également étudié un autre système de Gd en couches minces Pt/Co/Gd qui s'est avéré être un empilement prometteur dans le contexte des études de déplacement de paroi de domaine chiral en raison du couplage antiferromagnétique sur des sites atomiques individuels de l'interface Co/Gd. Avec SXRMR, nous avons obtenu la distribution de l'aimantation hors du plan à travers les couches Co à partir de mesures au bord Co L3 ainsi que les couches Gd à partir de mesures au bord Gd M5 à différentes températures de 300K à 40K. Pour la couche de Co, dont la température de Curie est supérieure à la température ambiante, l'analyse montre un profil homogène sur l'évolution de la température. En revanche, pour la couche de Gd, dont la température de Curie est connue pour être proche de la température ambiante, nous avons observé un profil magnétique inhomogène sur la plage de température de 43K à 300K. Bien que pour 300K, un profil de magnétisation oop pur a été résolu à l'interface immédiate avec Co. À des températures plus basses, nous avons observé un changement dans le profil oop et la manifestation de la composante ip plus loin de l'interface d'interface immédiate Co/Gd où Gd est fortement mélangé avec le bouchon Al couche.

Magnetic behavior in thin-film structures has attracted considerable interest for its wide ranging technological applications. As the dimension of magnetic films reduce, they are able to exhibit various magnetic properties having no equivalent in bulk material as interfacial magnetism become more important. However, probing buried magnetic interfaces in such heterostructures can be a major challenge. Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is one such interface induced quantity that occurs at the interface between different types of materials. This thesis focuses on determination of the out-of-plane magnetization profile through buried ultrathin ferromagnetic films with various adjacent materials by soft X ray magnetic reflectivity (SXRMR), thus providing a direct description of the magnetism at the bottom and top interfaces. This technique combines the depth-resolved information of X-ray reflectivity with the species selectivity of X-ray magnetic circular dichroism for probing in-plane (ip) and out-of-plane (oop) magnetization profile with sub nanometer resolution in thin films.Heavy metal/ferromagnet/oxide based systems are well known for their capability to provide high PMA mainly occurring through the hybridization at FM/oxide interface through annealing at higher temperatures. We investigated the magnetization profile in series of samples of MgO/CoFeB/(W)/Ta before and after annealing at different temperatures by measurements at Fe L3 edge. A transition in easy magnetic axis from ip to oop for both Ta and W cap layers was observed which was accompanied by changes in Fe magnetic distribution over CoFeB thickness. Ta cap layered sample showed an enhanced and more homogeneous magnetization profile after annealing at annealing at 340°C compared to from a gradient distribution before annealing. This distribution further modified after annealing at 400°C where easy magnetic axis turned back to ip. For W cap layer, we observed a gradient profile before as well as after annealing at 400°C however accompanied by an enhancement of magnetization at both interfaces.We also studied another system of Pt/Co/Gd thin film Gd which has proven to be a promising stack in the context of chiral domain wall displacement studies due to the antiferromagnetic coupling at individual atomic sites of the Co/Gd interface. With SXRMR we obtained the distribution of the out-of-plane magnetization across the Co layers from measurements at the Co L3 edge as well as Gd layers from measurements at the Gd M5 edge over various temperature from 300K to 40K. For the Co layer, whose Curie temperature is higher than the ambient temperature analysis shows a homogeneous profile over temperature evolution. On the other hand, for Gd layer, whose the Curie temperature is known to be close to room temperature, we observed an inhomogeneous magnetic profile over temperature range of 43K to 300K. Although for 300K, a pure oop magnetization profile was resolved at the immediate interface with Co. At lower temperatures we observed change in oop profile and manifestation of ip component further away from immediate Co/Gd interface interface where Gd is strongly intermixed with the Al cap layer.