Tailoring the interfacial properties of magnetic multilayers for the observation of skyrmions at room temperature

par Constance Moreau-Luchaire

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Vincent Cros.

Soutenue le 21-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Unité mixte de physique CNRS/Thales (Palaiseau) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Philippe Lecoeur.

Le jury était composé de Vincent Cros, Philippe Lecoeur, Stefania Pizzini, Del Atkinson, Christoforos Moutafis, Thomas Hauet.

Les rapporteurs étaient Stefania Pizzini, Del Atkinson.

  • Titre traduit

    Etude et contrôle des propriétés interfaciales de multicouches magnétiques pour l'observation de skyrmions à température ambiante


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous montrons que nous avons réussi à observer des skyrmions isolés sub-100nm dans des échantillons Ir|Co|Pt. Ces observations ont été faites via deux techniques différentes : le STXM (technique synchrotron qui permet d’imager l’aimantation hors du plan de l’échantillon) et le MFM (technique de laboratoire qui permet d’imager le gradient de l’aimantation). Nous avons également montré que nous les avions observés à la fois dans les films étendus ainsi que dans des nanostructures (nanodisques de diamètre entre 200 nm et 1 μm, ainsi que les bandes dont la largeur varie de 400 nm à 1 μm). Nous avons également développé deux approches différentes pour estimer l’amplitude DMI dans les échantillons. La première est basée sur la périodicité des domaines dans les échantillons après désaimantation. La deuxième technique est basée sur l’évolution de la taille des skyrmions avec un champ magnétique appliqué hors-plan. Pour la nécessité des simulations micromagnétiques, nous avons également essayé de déterminer l’échange de nos échantillons. Avec cette valeur, le DMI trouvé dans nos échantillons est d’environ 2 mJ/m². Nous avons effectué une étude systématique sur des échantillons avec variation de différents paramètres: nombre de répétitions de la tricouche principale, épaisseur du Co, épaisseur du Pt, épaisseur de l’Ir, composition des couches d’Ir avec W ou AlOx. Nous avons montré que pour tous les systèmes, nous avons pu observer des skyrmions stabilisés à température ambiante grâce au MFM. Nous avons également observé que la densité des skyrmions diminue avec l’augmentation de l’anisotropie effective.


  • Résumé

    We have been able to successfully observe isolated sub-100nm skyrmions in Ir|Co|Pt samples. Moreover, we have been able to observe them with two different techniques: STXM - a synchrotron technique that maps the out-of-plane magnetization of a sample, and MFM - a laboratory technique that images the gradient of the magnetization. We have also shown that we have stabilized them in extended films as well as in nanostructures (nanodisks with diameter from 200 nm to 1 μm, as well as stripes with width from 400 nm to 1 μm). Secondly, we have developed two different approaches to estimate the DMI amplitude in samples. The first one is based on the mean domain periodicity in samples after demagnetization. The second technique is based on the size evolution of skyrmions with applied out-of-plane magnetic field. For the need of the micromagnetic simulations, we have also tried to determine the exchange stiffness of our samples. With this value, the DMI aplitude found in our samples is about 2 mJ/m². We have performed a systematic study on samples with variation of different parameters : number of repetitions of the main trilayers, Co thickness, Pt thickness, Ir thickness, composition of the buffer layers, and switching Ir with W or AlOx. We also observed that the density of skyrmions is decreasing with increasing effective anisotropy.


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