Dynamique de parois et skyrmions magnétiques contrôlée par champ électrique

Magnetic skyrmion and domain wall dynamics controlled by electric field gating

• Auteur / Autrice : Cristina Balan
• Direction : Stefania Pizzini, Laurent Ranno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 07/07/2023
• 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 : Liliana-Daniela Buda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jordi Sort, Gianfranco Durin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Maurizio Sacchi, Florent Tournus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Skyrme, Modèle de

Spintronique

Mots clés libres

Parois de domaine

Nanomagnetisme

Spintronique

Spintronics

Nanophysics

Skyrmions

Nanomagnetism

Résumé

Lors du fonctionnement des dispositifs magnétiques, la direction de l'aimantation est classiquement contrôlée par l'application de champs magnétiques externes ou, dans les dispositifs à l'échelle nanométrique, par de grands courants électriques. Dans les deux cas, le chauffage Joule et la dissipation d'énergie associée présentent un défi de taille. La manipulation par champ électrique des propriétés magnétiques est un sujet relativement nouveau dans le magnétisme, qui peut être une solution alternative pour réaliser une inversion de magnétisation à faible puissance. L'une des principales tâches de ma thèse est d'étudier l'effet des champs électriques sur les propriétés magnétiques (anisotropie magnétique perpendiculaire- PMA et interaction Dzyaloshinskii-Moriya- DMI) des multicouches magnétiques et sur la stabilité de structures chirales telles que les skyrmions. Nos échantillons sont constitués d’un tricouche magnétique Pt/CoMOx (M=Al,Tb) micro-structurée par lithographie (optique ou electronique) et couverte par une couche dielectrique (HfO2, ZrO2). Des électrodes de Pt finalisent le dispositif type « condensateur ». Les multicouches magnétiques sont déposées par pulvérisation magnétron. L’ épaisseur et la rugosité de chaque couche sont mesurées par réflectivité des rayons X (XRR). Pour visualiser les processus de retournement de l’aimantation la dynamique des parois des domaines, nous avons utilisé la microscopie magnéto-optique Kerr (MOKE). La méthode de dépôt de couche atomique (ALD) a été utilisée pour déposer les matériaux à permittivité élevée (HfO2, Al2O3, ZrO2). Ces matériaux ont été déposés dans différentes conditions expérimentales (température, épaisseur) et étudiés par diffraction des rayons X (DRX) pour déterminer la phase cristalline. Chaque matériau a ensuite été déposé entre deux couches de Pt structurées par lithographie optique afin que nous puissions étudier leurs propriétés diélectriques. Leurs propriétés électroniques sont également étudiées en réalisant des mesures courant-tension pour mieux comprendre leur comportement dans un circuit (ex. condensateur, résistance).L'objectif principal de mon travail a été d'étudier les propriétés magnétiques du diélectrique de la tricouche Pt/Co/MOx lorsqu'un champ électrique est appliqué. En appliquant un champ électrique, nous avons pu modifier localement les paramètres micromagnétiques et la dynamique des parois des domaines magnétiques . L'effet a été interprété comme étant dû à la migration des ions oxygène à travers de la couche dielectrique et de la couche MOx, entraînée par le champ électrique.Les effets du champ électrique sur les paramètres micromagnétiques ont été étudiés à l'aide de la microscopie MOKE, par des mesures d’aimanatation et d’anisotropie (par VSM-SQUID), par microscopie à force magnétique (MFM) et de la spectroscopie photo-électronique à rayons X durs (stage à synchrotron SOLEIL).Mon contrat de thèse dans le cadre de l’ITN MagnEFI prévoit l’obligation d’effectuer des « secondments » dans les laboratoires partenaires.Le premier secondment était en octobre 2021 dans le groupe de théorie et simulation de l'Université de Salamanca pour apprendre à effectuer des simulations micromagnétiques à l'aide du package Mumax3 et reproduire les résultats expérimentaux que nous avons obtenus sur les dispositifs de type condensateur. Mon deuxième détachement a eu lieu en février 2022 chez SPIN-ION Technologies (start-up au sein du laboratoire C2N, Palaiseau). Le but du stage a été d'étudier l’ effet des ions He+ sur les paramètres micromagnétiques et la dynamique DW sur échantillons avec du PMA à partir de PtCoAl2O3.Pour le dernier détachement, nous prévoyons d'étudier les effets du champ électrique in situ sur l'anisotropie magnétique en utilisant la spectroscopie de photoélectrons X durs. L'expérience aura lieu au synchrotron SOLEIL en avril 2023. Les échantillons seront préparés et caractérisés à l'Institut Néel en collaboration avec le laboratoire SPINTEC.

During operation of magnetic devices, the direction of magnetization is conventionally controlled by the application of external magnetic fields or, in nanoscale devices, by large spin-polarized electric currents. In either case, Joule heating and the associated energy dissipation present a severe challenge.Electric field manipulation of magnetic properties is a relatively new topic in magnetism, which may be an alternative solution to achieve low-power magnetization reversal . One of the main tasks of my PhD project is to study the effect of electric fields on the magnetic properties (perpendicular magnetic anisotropy - PMA and Dzyaloshinskii-Moriya interaction - DMI) of magnetic thin film layers.Samples with chiral domain walls and skyrmions stable at room temperature were grown, and the effect of electric field on the stability of these magnetic textures was studied. The first magnetic system we studied is the Pt/Co/TbOx/high-k (HfO2, Al2O3, ZrO2) dielectric.The magnetic multilayers were deposited by magnetron sputtering and patterned by electron beam lithography and ion beam etching. To determine the thickness and roughness of each layer, we used X-ray reflectivity (XRR). To visualize the magnetic inversion processes and the magnetic domains of these samples, we used Kerr magneto-optical microscopy.The atomic layer deposition (ALD) method was used to deposit the high-k materials (HfO2, Al2O3, ZrO2). These high-k materials were deposited under different experimental conditions (temperature, thickness) and studied by X-ray diffraction (XRD) to determine the crystalline phase. Each material was then deposited between the lower and upper Pt electrodes patterned by optical lithography so that we could study their dielectric properties. Their electronic properties are also studied by carrying out current-voltage measurements to better understand their behavior in a circuit (eg capacitor, resistor).The main objective of my work was to study the magnetic properties of the Pt/Co/MOx/high-k (HfO2, Al2O3, ZrO2) dielectric when an electric field is applied. By applying an electric field, we were able to locally modify the micromagnetic parameters and the dynamics of the walls of the magnetic domain or skyrmions. The effect was interpreted as being due to the migration of oxygen ions driven by the gate voltage.The effects of the electric field on the micromagnetic parameters have been studied using Kerr microscopy, vibrating-sample magnetometry (VSM), magnetic force microscopy (MFM) , and hard X-ray photoelectron spectroscopy (experiment carried out at the SOLEIL synchrotron, September 2021).In October 2021, I joined the theory and simulation group of the University of Salamanca to learn how to perform micromagnetic simulations using the Mumax3 package and simulate the experimental results we obtained after applying the electric field on capacitor type devices.My second secondment took place in February 2022 at SPIN-ION Technologies (a start-up) in Paris. New samples were prepared with PMA from Pt/Co/Al2O3 using magnetron sputtering. The purpose of the secondment was to study the effects of He+ ions on micromagnetic parameters and DW dynamics.For the last secondment, we plan to study the effects of in-situ electric field on magnetic anisotropy using hard X-ray photoelectron spectroscopy. The experiment will take place at the SOLEIL synchrotron in April 2023. Samples will be prepared and characterized at the Institut Néel in collaboration with the SPINTEC laboratory.