Jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire : anisotropie, magnétorésistance, couplages magnétiques et renversement par couple de transfert de spin

par Lavinia Nistor

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Bernard Rodmacq et de Alain Schuhl.

Soutenue le 07-10-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (équipe de recherche) .

Le président du jury était James m.d. Coey.

Le jury était composé de Bernard Rodmacq, Olivier Fruchart, Andre Thiaville, Bernard Dieny, Françoise Vimeux, Luca Perniola.

Les rapporteurs étaient Stephane Mangin, Dafine Ravelosona, Christian Degache.


  • Résumé

    Le but de cette thèse est l'étude des propriétés de jonctions tunnel magnétiques à aimantation perpendiculaire, en utilisant l'anisotropie perpendiculaire présente à l'interface entre un métal magnétique et un oxyde. En théorie, dans le cas des applications mémoires, les jonctions tunnel perpendiculaires devraient nécessiter moins d'énergie (courant) pour l'écriture par courant polarisé en spin. Mais la fabrication de telles structures représente un défi et une tâche difficile puisque les propriétés de transport (TMR) et d'anisotropie imposent des contraintes sur les matériaux utilisées en limitant la fenêtre de travail, notamment en ce qui concerne l'épaisseur des couches magnétiques. Pour atteindre cet objectif nous avons tout d'abord étudié les propriétés de ces structures comme l'anisotropie de l'interface métal magnétique-oxyde, le transport tunnel et le couplage entre les couches magnétiques à travers la barrière isolante. L'amplitude de l'anisotropie d'interface entre un métal magnétique et un oxyde dépend de l'épaisseur des couches magnétiques, de la température de recuit et la concentration de l'oxygène à l'interface. Différentes structures ont été réalisées afin de choisir la structure la mieux adaptée pour les applications mémoires MRAM. Une corrélation entre la TMR et l'anisotropie a été observée permettant de valider l'origine de l'anisotropie perpendiculaire : la formation de liaisons métal magnétique-oxygène. Un couplage antiferromagnétique à été aussi observé entre les couches magnétiques à anisotropie perpendiculaire à travers l'oxyde. Une étude détaillée sur le couplage a été faite en fonction de la température de recuit et de l'épaisseur des couches magnétiques pour mieux comprendre l'origine du couplage et une possible relation avec l'amplitude de l'anisotropie perpendiculaire. Finalement des jonctions perpendiculaires ont été nano-lithographiées et des mesures de commutation d'aimantation par transfert de spin sur des piliers nanométriques ont été réalisées avec de faibles courants critiques.

  • Titre traduit

    Perpendicular magnetic tunnel junctions : anisotrpy, magnetoresistance, indirect exchange coupling and spin torque switching phenomena


  • Résumé

    The aim of this thesis is the study of magnetic tunnel junctions with perpendicularly magnetized electrodes (pMTJ), using perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arising from the magnetic metal/oxide interfaces. For magnetic memories applications, it was predicted in theory that perpendicular junctions should need less energy (current) for spin transfer torque (STT) writing applications. However, the engineering of such structures is a real challenge and a difficult task since simultaneous transport (TMR) and PMA properties impose constraints on materials being used and also limit the working window of the device, especially in terms of magnetic layer thickness. In order to reach our goal we first studied different properties of these structures, such as the origin of PMA from the metal/oxide interface, tunnel transport and interlayer exchange coupling phenomena. The PMA at magnetic metal/oxide interface was showed to strongly depend on different parameters like annealing temperature, oxygen concentration, layer thickness etc. Several pMTJ structures were tested in order to choose the best one for MRAM memories applications. A correlation between TMR and PMA was observed and confirms the PMA origin from the magnetic metal-oxygen bond formation at the interface. Furthermore, antiferromagnetic interlayer exchange coupling was observed in our structures in the presence of out of plane anisotropy. A detailed study was made as a function of annealing temperature and layers thickness, in order to understand the origin of this coupling and its possible relationship to the anisotropy strength. Finally the STT-pMTJ concept was validated and low critical currents were observed on submicronic dots prepared by electron beam lithography.


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