Étude de cristaux magnoniques reconfigurables à base d'alliages d'Heusler Co2MnSi

Study of Co2MnSi Heusler alloy magnonic crystals

• Auteur / Autrice : Sarah Mantion
• Direction : Nicolas Biziere
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 07/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Paillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Biziere, Catherine Gourdon, Benjamin Lassagne, Vincent Cros, Grégoire de Loubens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Gourdon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux nanostructurés

Électromagnétisme

Ondes de spin

Mots clés libres

Ondes de spins

Cristaux magnoniques

Nanostructures

Électromagnétisme

Spin waves

Magnonic crystals

Nanostructures

Electromagnetism

Résumé

Les ondes de spin sont des excitations élémentaires de matériaux magnétiques consistant en une précession déphasée des moments magnétiques du matériau. Tout comme une onde électromagnétique, les ondes de spin peuvent transmettre des informations. Ces ondes présentent plusieurs caractéristiques attractives par rapport aux ondes électromagnétiques pour la miniaturisation de composants radiofréquences (dans la gamme de quelques MHz à la dizaine de THz). Notamment, leurs longueurs d'ondes sont plusieurs ordres de grandeurs inférieures à celles des ondes électromagnétiques dans le vide et leurs fréquences peuvent être modifiées par l'application d'un champ magnétique. Un cristal magnonique est un matériau magnétique dont les propriétés magnétiques sont modulées de manière périodique et artificielle. A l'instar des photons dans un cristal photonique, les ondes de spin diffusent et interfèrent au travers du cristal magnonique générant ainsi des bandes de fréquences permises et d'autres interdites à la propagation. Suivant le design des cristaux magnoniques, diverses applications sont possibles tels que des filtres à ondes de spin, des portes logiques, mémoires non volatiles. Actuellement, la majorité des cristaux magnoniques présents dans la littérature fonctionne avec l'application d'un champ magnétique de saturation, ce qui nécessite l'utilisation d'aimants permanents. Cela limite l'incorporation de ces dispositifs magnoniques dans des circuits intégrés. Ainsi l'objectif principal de cette thèse consiste à obtenir un système modèle de cristal magnonique présentant des bandes radiofréquences reconfigurables, c'est-à-dire pouvant être modifiées à dessein, à champ magnétique nul (rémanence). Dans ce contexte, les couches minces d'alliages d'Heusler Co2MnSi (CMS) constituent des candidats prometteurs pour des applications magnoniques en raison de leur forte aimantation à saturation, de leur faible coefficient d'amortissement et de leur forte anisotropie magnéto-cristalline cubique (proche de 30 mT). En particulier, nous avons démontré dans un premier temps de manière numérique que la forte anisotropie cubique du CMS permet la stabilisation d'états magnétiques quasi-uniformes à la rémanence dans un système modèle de cristal magnonique : un réseau périodique de trous carrés de tailles 300-50 nm et de périodicité le triple de la taille des trous au minimum. Suivant la direction du champ d'initialisation, différents états magnétiques rémanents peuvent être obtenus. Lorsque soumis à un champ de pompage radiofréquence, ces différents états offrent alors différentes réponses radiofréquences. Nous montrons également comment la taille des trous et leur espacement influe sur le nombre et la fréquence des modes reconfigurables. Nous avons par la suite fabriqué et mesuré des cristaux magnoniques de CMS. La nanostructuration du CMS a été réalisée via deux techniques différentes : gravure Focused Ion Beam (FIB) et une combinaison de lithographie électronique et gravure Ion Beam Etching (IBE). Tout d'abord, un cristal magnonique de CMS avec des trous carrés de 140nm et de périodicité 400nm a été réalisé par FIB. En mesurant sa réponse radiofréquence par des mesures inductives via une micro-antenne et en réalisant des simulations micromagnétiques, nous avons montré la nécessité de prendre en compte les imperfections géométriques et la dégradation des propriétés magnétiques du matériau induites lors de la nanostructuration au FIB pour comprendre les mesures. Afin de s'affranchir de ces désavantages, un dispositif similaire à celui du FIB a été fait par combinaison de lithographie électronique et gravure IBE. Des modes d'ondes de spin bien distincts ont alors pu être observés, ce qui nous a permis de mesurer la reconfigurabilité à la rémanence prédite numériquement. Ce travail ouvre ainsi la voie à la réalisation de dispositifs magnoniques radiofréquences reconfigurables pour des opérations logiques ou de filtrages d'ondes de spin à la rémanence.

Spin waves are elementary excitations within magnetic materials consisting of a phase-shifted precession of the magnetic moments of the material. Analog to an electromagnetic wave, spin waves can transmit information. These waves present several attractive characteristics compared to electromagnetic waves for the miniaturization of microwave components (in the range of a few MHz to ten THz). In particular, their wavelengths are several orders of magnitude shorter than those of electromagnetic waves in vacuum and their frequencies can be modified by the application of a magnetic field. A magnonic crystal is a magnetic material whose magnetic properties are periodically and artificially modulated. Analog to photons in a photonic crystal, spin waves scatter and interfere through the magnonic crystal generating allowed frequency bands and frequency band gaps where their propagation is forbidden. Depending on the design of the magnonic crystals, various applications are possible such as spin wave filters, logic gates, non volatile memories. Currently, the majority of magnonic crystals present in the literature operate with the application of a saturation magnetic field, which requires the use of permanent magnets. This limits the incorporation of these magnonic devices in integrated circuits. The main objective of this thesis is to obtain a model system of magnonic crystal with reconfigurable frequency bands, i.e. which can be modified on purpose, at zero magnetic field (remanence). In this context, thin films of Heusler Co2MnSi alloys (CMS) are promising candidates for magnonic applications due to their strong saturation magnetization, low damping coefficient and high cubic magneto-crystalline anisotropy (close to 30 mT). In particular, we have first demonstrated numerically that the strong cubic anisotropy of CMS allows the stabilization of quasi-uniform magnetic states at remanence in a model magnonic crystal system: a periodic array of square holes of sizes 300-50 nm and periodicity at least three times the hole size. Depending on the direction of an initialization field, different remanent magnetic states can be obtained. When subjected to a microwave pumping field, these different states offer different microwave responses. We also show how the size of the holes and their spacing affect the number and frequency of reconfigurable modes. We then fabricated and measured CMS magnonic crystals. The nanostructuring of the CMS was achieved via two different techniques: Focused Ion Beam Etching (FIB) and a combination of electron beam lithography and Ion Beam Etching (IBE). First, a CMS magnonic crystal with 140 nm square holes and 400 nm periodicity has been made by FIB. By measuring its microwave response by inductive measurements with a micro-antenna and by performing micromagnetic simulations, we have shown the necessity to take into account the geometrical imperfections and the degradation of the magnetic properties of the material induced by the FIB nanostructuring to understand the measurements. In order to overcome these disadvantages, a device similar to the FIB one has been made this time by combining electron beam lithography and IBE etching. Well distinct spin wave modes could then be observed, which allowed us to measure the reconfigurability at remanence numerically predicted. This work opens the way to the realization of reconfigurable microwave magnonic devices for logic operations or spin waves filtering applications at remanence.