Caractérisation des oscillateurs spintroniques basés sur des couches magnétiques couplées

par Elmer Monteblanco Vinces

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ursula Ebels.

Soutenue le 09-07-2014

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

Le président du jury était Alain Schuhl.

Le jury était composé de Gregoire De loubens, Michel Hehn.

Les rapporteurs étaient Vincent Cros, Matthieu Bailleul.


  • Résumé

    Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un « saut » dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence – champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé.

  • Titre traduit

    Characterization of spintronic oscillators based on coupled magnetic layers


  • Résumé

    Spin-torque nano-oscillators (STNOs) are promising candidates for integrated radiofrequency (RF) components due to their nanoscale size, the large range of base frequencies that can be covered, as well as the large achievable tuning ranges around the base frequency. The RF signal is obtained due to the spin transfer torque (STT) generating a non-linear magnetization oscillation in a magnetoresistive device. In the past, these excitations were investigated using the picture of a single (or independent) layer. However, many features of the excitation spectra observed experimentally in nanopillar devices cannot be explained considering a single layer. In this thesis we address the important question on the dynamical coupling between the magnetic layers inside a magneto-resistive nanopillar device, to gain a better understanding of the excitation spectra, i.e. the dependence of the frequency and the linewidth on current and applied magnetic field. A first study is realized for a coupled system, composed by two ferromagnetic layers, coupled by the interlayer RKKY coupling (so called Synthetic Ferrimagnet SyF). Due to the coupling the frequency dependence versus current is different as compared to excitations of a single layer. This is explained by the strong dynamical RKKY coupling. A second study considers a more complex interaction, occurring within standard STNO nanopillar spin valves or tunnel junctions. They are composed by a SyF separated by a metallic or insulating spacer respectively from the single free layer (FL). For this system we take into account besides the RKKY coupling within the SyF, also the dynamical dipolar field coupling and the mutual spin torque (MSTT) between the SyF and the free layer. We find two definite signatures arising from this coupling. The first is a gap in the steady state excitation spectra that is due to the hybridization of the SyF and FL modes in the damped regime. The second is the possibility of the spintorque driven excitation or its harmonics with the damped modes leading to discontinuities in the frequency field dependence when the free layer is dominantly excited. Interestingly this leads to a region of reduced linewidth. Furthermore for SyF layer dominated excitations, the linewidth is lower than in the FL dominated excitations. From these observations we propose a more complex structure, composed by two SyF layers where the single FL is replaced by a SyF. The results obtained by a combination of experiments, numerical simulations and analytical analysis, demonstrate the important role of the dynamic interactions in nanopillar STNOs and provide routes for designing novel STNO configurations that should lead to improved microwave performances.


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