Magnéto-ionique dans les systèmes basés sur CoFeB

Magneto-ionics in CoFeB based systems

• Auteur / Autrice : Rohit Pachat
• Direction : Liza Herrera Diez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 24/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• 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 : Julie Grollier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karin Leistner, Reinoud Lavrijsen, Eva Pellicer, Mohamed Belmeguenai, Shimpei Ono
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Karin Leistner, Reinoud Lavrijsen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux magnétiques

Spintronique

Domaines magnétiques

Champs électriques

Anisotropie

Théorie magnéto-ionique

Mots clés libres

Magnéto-ionique

Anisotropie magnétique

Interaction Dzyaloshinskii-Moriya

Réversibilité

Recuit

Stabilité

Magneto-ionics

Magnetic anisotropy

Dzyaloshinskii-Moriya interaction

Reversibility

Annealing

Stability

Résumé

La magnéto-ionique permet une modulation non-volatile des propriétés magnétiques grâce à la migration des ions induite par le champ électrique vers/à partir des interfaces magnétiques, ce qui permet de créer des dispositifs spintroniques de faible puissance. Cependant, les facteurs clés qui pourraient affecter la performance magnéto-ionique tels que la chimie interfaciale, le recuit post-croissance et la stabilité des états magnéto-ioniques ont été largement négligés dans la littérature. Cette thèse se concentre sur le développement et l'optimisation de systèmes magnéto-ioniques à base de CoFeB en abordant les défis mentionnés ci-dessus et en fournissant des mécanismes physiques sous-jacents plausibles. Les premiers résultats présentés dans cette thèse montrent qu'une oxydation induite par une tension de grille dans le Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂ entraîne l'anisotropie magnétique d'un échantillon tel qu'il a été couru à partir d'un état sous-oxydé présentant une anisotropie magnétique dans le plan intérieur. plan (IPA) à un état d'oxydation optimal présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), puis à un état de suroxydation présentant une anisotropie magnétique interne (IPA). Le passage de l'IPA sous-oxydé au PMA optimalement oxydé est appelé régime I et le passage du PMA optimalement oxydé à l'IPA suroxydé est appelé régime II. Le régime II est réversible, tandis que le régime I est irréversible dans les mêmes conditions de tension de grille. Ceci a été proposé comme étant le résultat de la différence dans les énergies de liaison des espèces d'oxygène ajoutées à l'interface CoFeB/HfO₂ dans chaque régime, soulignant la fonctionnalité de la chimie interfaciale. Les seconds résultats de cette thèse explorent l'impact du recuit thermique sur la magnéto-ionique dans W/ Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂. Dans le W/CoFeB/HfO₂, une oxydation induite par la tension de grille des échantillons bruts ne développe pas de PMA, alors que le recuit post-croissance des échantillons bruts développe du PMA qui, après exposition à des tensions négatives, passe à l'IPA en raison de l'oxydation de la couche de CoFeB. En outre, dans les échantillons recuits à 390ᵒC pendant 1 heure, une forte interaction Dzyaloshinskii Moriya de 0,60 pJ/m a également été observée, qui diminue à 0,06 pJ/m après l'oxydation induite par la tension de grille. Bien que les propriétés magnétiques s'améliorent avec l'augmentation de la température et du temps de recuit, la réversibilité magnéto-ionique est de plus en plus compromise. Cette disparité dans la réversibilité après différentes conditions de recuit post-croissance a été associée à l'influence de la cristallisation du CoFeB sur la mobilité des ions. Dans les derniers résultats présentés dans cette thèse, comme pour Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂, une oxydation induite par une tension de grille dans Pt/ Co₆₀Fe₂₀B₂₀/HfO₂ montre la coexistence de deux régimes ; Cependant, les deux régimes sont réversibles, ce qui permet de relier le rôle de la stœchiométrie du CoFeB et la réversibilité. En outre, les états magnéto-ioniques du régime I sont nettement plus stables dans le temps que ceux du régime II. De plus, la stabilité des états magnéto-ioniques s'est considérablement améliorée lorsque l'épaisseur de HfO₂ a été réduite. Cette disparité dans la stabilité des états magnétiques dans les régimes I et II et différentes épaisseurs de HfO₂ a été liée à la force de liaison des espèces d'oxygène à l'interface CoFeB/HfO₂ et à la disponibilité de sites "déficients" en oxygène en raison des atomes de Hf avec moins d'espèces d'oxygène incorporées à l'interface, respectivement. Les résultats présentés dans cette thèse révèlent la complexité de la magnéto-ionique dans divers systèmes, et fournissent des mécanismes sous-jacents plausibles pour aider à comprendre et à concevoir des dispositifs spintroniques efficaces basés sur la magnéto-ionique.

Magneto-ionics provides a nonvolatile modulation of magnetic properties through the electric field-induced migration of ions toward/away from the magnetic interfaces that allows for low-power spintronics devices. However, key factors that could affect the magneto-ionic performance such as the interfacial chemistry, post-growth annealing and the stability of the magneto-ionic states have been largely overlooked in the literature. This thesis focuses on developing and optimizing CoFeB-based magneto-ionic systems addressing the above-mentioned challenges and provides plausible underlying physical mechanisms. The first results presented in this thesis show that a gate voltage-induced oxidation in Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂ drives the magnetic anisotropy of an as-grown sample from an underoxidized state exhibiting in-plane magnetic anisotropy (IPA) to an optimally oxidized state exhibiting perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and further into an overoxidized state exhibiting IPA. The transition from the underoxidized IPA to optimally oxidized PMA is called regime I and optimally oxidized PMA to overoxidized IPA is called regime II. Regime II is found to be reversible, whereas regime I is irreversible under the same gate voltage conditions. The coexistence of two regimes, where only one regime is reversible, has been proposed to be as a result of the difference in the binding energies of the oxygen species added to the CoFeB/HfO₂ interface in each regime, pointing out the functionality of interfacial chemistry for magneto-ionic performance. The second results of this thesis concern exploring the impact of thermal annealing on magneto-ionics in W/ Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂. In W/CoFeB/HfO₂, a gate voltage-induced oxidation of the as-grown samples does not develop PMA, whereas post-growth annealing of the as-grown samples develops PMA, which after exposing to negative voltages transitions to IPA due to oxidation of the CoFeB layer. In addition, in the samples annealed at 390ᵒC for 1 hour, a strong Dzyaloshinskii Moriya interaction (DMI) of 0.60 pJ/m was also observed, which decreases to 0.06 pJ/m after gate voltage-induced oxidation. Although magnetic properties, including domain wall velocity, improved drastically with increasing annealing temperature and time, the magneto-ionic reversibility is found to be increasingly compromised. This disparity in reversibility after different post-growth annealing conditions has been associated with the influence of crystallization of CoFeB on ion mobility. In the last results presented in this thesis, similarly to Ta/Co₂₀Fe₆₀B₂₀/HfO₂, a gate voltage-induced oxidation of the CoFeB layer in Pt/ Co₆₀Fe₂₀B₂₀/HfO₂ shows the coexistence of two regimes; however, both regimes are shown to be reversible, linking the role of the stoichiometry of CoFeB and reversibility. In addition, the stability of the magneto-ionic states with time shows that regime I is significantly more stable than regime II. Moreover, the stability of the magneto-ionic states significantly improved when the thickness of the HfO₂ was reduced. This disparity in the stability of the magnetic states in regimes I and II and different thicknesses of HfO₂ has been linked to the binding strength of the oxygen species at the CoFeB/HfO₂ interface and the availability of oxygen "deficient" sites due to the Hf atoms with less incorporated oxygen species at the interface, respectively. The results presented in this thesis reveal the complexity of magneto-ionics in various systems, showing the importance of interfacial chemistry, structure and composition of the magnetic stack, and the stability of the non-volatile magnetic states, and provide plausible underlying mechanisms to help understand and design efficient spintronic devices based on magneto-ionics.