Nucleation and propagation of magnetic domain walls in cylindrical nanowires with diameter modulations

par Beatrix Trapp

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Jean-Christophe Toussaint et de Olivier Fruchart.

Soutenue le 29-05-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) et de Spintronique et technologie des composants (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Jan Vogel.

Le jury était composé de Yves Henry, Ursula Ebels, Christophe Thirion.

Les rapporteurs étaient Rolf Allenspach, Augustina Asenjo.

  • Titre traduit

    Nucléation et propagation de parois de domaine magnétiques dans des nanofils cylindriques avec des modulations en diamètre


  • Résumé

    Dans les dispositifs actuels de sauvegarde de données, les bits d'informations sont stockées sous la forme de paroi de domaines dans une couche mince, voire des media "patternés". Le support reste donc 2D. De nos jours, la densité de stockage tend vers une valeur maximale qu'il est difficile de dépasser pour des raisons fondamentales et technologiques. Ainsi, récemment des efforts ont été réalisés pour développer des dispositifs 3D qui allient la polyvalence de la mémoire RAM solide avec un coût comparable à celui des disques durs actuels.Un nouveau concept théorique particulièrement intéressant pour une mémoire magnétique en 3D a été proposé en 2004 par S. Parkin et al.. Cette mémoire de type registre à décalage est constituée d'un réseau de nanofils magnétiques verticaux avec une section transversale cylindrique ou bien rectangulaire. Dans ce nouveau type de mémoire, les bits sont codés sous forme d'une série de parois de domaine. Cette dernière peut être déplacée vers une tête de lecture intégrée par des impulsions de courant polarisé en spin de quelques nanosecondes.Les parois de domaines magnétiques dans des nanofils cylindriques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur application possible dans un dispositif fonctionnel ainsi qu'en raison de nouvelles propriétés intéressantes qui résultent du confinement géométrique des parois. A ce jour, seules quelques études expérimentales sur de telles parois de domaines existent. Elles ont mis en évidence la difficulté de maîtriser la propagation de parois dues à des forts effets de piégeage. Jusqu'à présent, l'origine microscopique de ce piégeage n'a été que partiellement comprise. On s'attend à ce qu’indépendamment de la qualité géométrique du fil, la microstructure du matériau puisse jouer un rôle non négligeable.Dans le cadre du projet européen FP7 m3D, l'objectif de mon travail de thèse a été d'étudier la propagation des parois de domaine dans des nanofils cylindriques avec des modulations de diamètre. L'énergie de ces parois de domaine augmentant avec le diamètre du fil, on s'attend à ce que des excroissances (ou des constrictions) agissent comme des barrières d'énergie artificielles (respectivement puits). Par conséquent, une propagation de paroi de domaine contrôlée via la géométrie du fil semble possible.La première partie de mon travail concerne l'optimisation des matériaux. Des fils d'un alliage de NiCo (diamètre de 100-200nm et longueur de plusieurs dizaines de micromètres) avec deux géométries distinctes ont été fabriqués par électrodéposition en collaboration avec le groupe du Prof. J. Bachmann à l' Université d'Erlangen. Pour chaque géométrie, j'ai exploré l'effet de la composition de l'alliage ainsi que d'un recuit sur la microstructure du matériau. Par la suite, la propagation des parois de domaine dans des nanofils individuels a été étudiée sous l'influence d'un champ magnétique quasi-statique ou d'une impulsion de champ magnétique avec une durée d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai effectué des simulations micromagnétiques complémentaires pour étudier l'effet de la géométrie des modulations sur le piégeage de ces parois de domaine magnétiques.


  • Résumé

    In all current data storage devices, the information bits are stored in form of domain walls in a thin film or in patterned media on a two-dimensional surface . Within the next decade, further increase of the storage density in these devices is expected to come to a halt due to several fundamental and technological issues. Thus there have recently been efforts to develop three-dimensional devices combining the versatility of solid state RAM with the cost efficiency of common hard disk drives.A particularly interesting theoretical concept for a three-dimensional magnetic memory has been proposed in 2004 by S. Parkin et al. . Their racetrack memory consists of a vertical array of magnetic nanowires with either cylindrical or rectangular cross section. The bits are encoded in a series of up to 100 domain walls per wire. Using nanosecond spin polarized current pulses these walls are shifted past an integrated read head.Magnetic domain walls in cylindrical nanowires have raised the interest of the scientific community due to their possible application in a functional device as well as due to exciting new properties which arise from the geometric confinement. Up to date, only a few pioneering experimental studies on such domain walls exist. They indicate strong pinning effects preventing a deterministic domain wall propagation. So far the microscopic origin of this pinning has only partially been understood. It is expected however that beside the wire geometry the material microstructure may play a considerable role.Situated within the framework of the European FP 7 project m3D, the objective of my work has been to investigate the domain wall propagation in cylindrical nanowires with diameter modulations by means of magnetic force microscopy and micromagnetic simulation. As the domain wall energy increases with the wire diameter, protrusions (resp. notches) are expected to act as an artificial energy barrier (resp. well). Consequently, a deterministic domain wall propagation controlled via the wire geometry seems possible.A first part of my work concerns material optimization. For this, NiCo alloy wires (100-200nm diameter and multiple tens of micrometers in length) with two distinct geometries have been fabricated by template assisted electrodeposition (Chemist collaborators at Univ. Erlangen, Prof. J.Bachmann). I have then explored the impact of the alloy composition as well as of possible post-fabrication annealing on the material microstructure. Subsequently, domain wall propagation in individual nanowires has been investigated under the influence of either a quasistatic magnetic field or a nanosecond magnetic field pulse. In addition I have performed complementary micromagnetic simulations to study the effect of the modulation geometry on the domain wall pinning.

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