Le mouvement des parois des domaines magnétiques dans le fil de CoFeB induit par le courant polarisé

par Xueying Zhang

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Nicolas Vernier et de Weisheng Zhao.

Soutenue le 15-05-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Fert Beijing Institute (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Jeudy.

Le jury était composé de Nicolas Vernier, Weisheng Zhao, Vincent Jeudy, Catherine Gourdon, Vincent Repain, Stefania Pizzini, Salim-Mourad Cherif.

Les rapporteurs étaient Catherine Gourdon, Vincent Repain.


  • Résumé

    Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches.Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques.Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale.Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques.

  • Titre traduit

    Spin-polarized current-induced domain wall motion in CoFeB nanowires


  • Résumé

    This thesis is dedicated to the research of the static and dynamic properties of magnetic Domain Walls (DWs) in CoFeB nanowires. A measurement system based on a high-resolution Kerr microscope was implemented and used for these research.First, phenomena related to the DW surface tension was studied. A spontaneous collapse of domain bubbles was directly observed using the Kerr microscope. This phenomenon was explained using the concept of the Laplace pressure due to the DW surface energy. The surface energy of DW was quantified by measuring the external field required to stabilize these bubbles. The DW pinning and depinning mechanism in some artificial geometries, such as the Hall cross or the entrance connecting a nucleation pad and a wire, was explained using the concept of DW surface tension and was used to extract the DW surface energy. Benefited from these studies, a method to directly quantify the coefficient of Dzyaloshinskii- Moriya Interactions (DMI) using Kerr microscope has been proposed. In addition, a new type of magnetic sensor based on the revisable expansion of DW due to DW surface tension was proposed and verified using micromagnetic simulations.Second, the dynamic properties of DWs in Ta/CoFeB/MgO film and wires were studied. The velocity of DW motion induced by magnetic fields or by the combined effect of synchronized magnetic field pulses and electrical current pulses was measured. In steady flow regime, the velocity of DW motion induced by the combined effect of the field and the current equals to the superposition of the velocities driven by field or current independently. This result allowed us to extract the spin-polarization of CoFeB in this structure. Pinning effects of DW motion in narrow wires was studied. Depinning fields of hard pinning sites for the field-driven DW motion in nanowires was measured. It was found that the pinning effects become severer as the width w of the wires scaled down. A linear relationship between the depinning field and w was found. The origin of these hard pinning sites, as well as their influences on the DW motion velocity, was discussed. Furthermore, it was found that the pinning effect was enhanced when a current was applied, no matter the relative direction between the DW motion and the current. We propose a possible explanation, which would be an effect of the spin Hall current from the sublayer (Ta). Although there was no DMI or in-plane field, the spin Hall current, which was polarized in the transverse direction, can still exert a torque on the Bloch DW, once the DW tilts away from the transverse direction.At last, a ring-shaped racetrack memory based on the combined work of STT and has been proposed. Compared with the traditional line-shaped racetrack memory, this ring-shaped memory allows the DW moving in a ring-shaped nanowire and the data dropout problem can be avoided. The design and optimization work was performed with micromagnetic simulations.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible librement à partir du 15-11-2018


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