Ingénierie et contrôle dynamique des propriétés interfaciales dans les films ultra-minces pour ajuster les textures de spin magnétique

par Titiksha Srivastava

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Claire Baraduc.

Soutenue le 29-01-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Spintronique et technologie des composants (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Dafiné Ravelosona.

Le jury était composé de Stéphane Mangin, Claudine Lacroix, Hélène Béa.

Les rapporteurs étaient André Thiaville, Joo-Von Kim.


  • Résumé

    Le contrôle du magnétisme aux interfaces s’est avéré essentiel pour la spintronique et ses applications, en particulier celles basées sur des structures chirales de spin appelées skyrmions magnétiques. Ces skyrmions, décrits comme des solitons magnétiques, sont de potentiels vecteurs d’information. Dans des empilements ultraminces du type métal lourd / ferromagnétique / isolant, les skyrmions sont stabilisés par une interaction d’échange antisymétrique d’interface appelée interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI); celle-ci entre en compétition avec d’autres interactions telles que l’interaction d’échange symétrique ou l’anisotropie magnétique. Afin de contrôler ces skyrmions, les propriétés magnétiques aux interfaces doivent être ajustées finement et modulées par une excitation extérieure. Le champ électrique s’est avéré être un outil efficace pour manipuler ces propriétés d’interface. Il a notamment été montré dans un certain nombre d’études depuis 2009 qu’une différence de potentiel permet de modifier localement et de manière dynamique des propriétés telles que l’anisotropie magnéto-cristalline ou l’aimantation à saturation. Cependant, cet effet sur DMI, qu’il est crucial d’intégrer pour les systèmes avec skyrmions, n’avait pas été observé pour les films ultraminces.Cette thèse présente tout d'abord une optimisation des systèmes tricouches de type métal lourd/ferromagnétique/oxide dans lesquels peuvent exister des skyrmions. J’ai plus particulièrement étudié le système Ta/FeCoB/TaOx qui permet de énucléer des skyrmions en présence d’un faible champ magnétique appliqué perpendiculairement au plan des couches. Une étude approfondie en fonction de l’épaisseur de FeCoB et de l’état d’oxydation du TaOx a notamment été menée, permettant ainsi d’identifier les différentes zones présentant des skyrmions. D’autre part, le résultat majeur de cette thèse est la démonstration de la modulation de DMI par un champ électrique dans une tricouche Ta/FeCoB/TaOx. Des mesures de spectroscopie Brillouin sous champ électrique ont montré une très grande variation allant jusqu’à 130%. Puis, des observations complémentaires en microscopie à effet Kerr magnéto-optique ont permis de mesurer simultanément une variation monotone de DMI et de la taille des skyrmions en fonction du champ électrique avec une efficacité sans précédent. Puisque le champ électrique agit principalement sur l’interface entre le matériau ferromagnétique et l’oxyde (FeCoB/TaOx), cette étude indique l’existence d’une DMI de type Rashba, expliquant la forte sensibilité au champ électrique. Ces observations montrent également qu’un renversement du signe de l’IDM est possible, qui conduirait à une inversion de la chiralité des skyrmions. Cette manipulation dynamique de DMI permettrait de conférer un degré de contrôle supplémentaire pour le développement de mémoires ou de dispositifs logiques ou neuromorphiques à base de skyrmions.

  • Titre traduit

    Engineering and dynamical control of interfacial properties in ultra-thin films to tune magnetic spin textures


  • Résumé

    Control of interfacial magnetism has emerged to be of paramount importance for spintronics applications specially involving chiral magnetic structures called skyrmions. Skyrmions are envisaged to be the future information carriers owing to their solitonic properties. In heavy metal/ ferromagnet/ insulator heterostructures, skyrmions are stabilized by interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction which is an antisymmetric exchange and competes with other interactions like symmetric exchange and magnetic anisotropy. In order to tune skyrmions, the interfacial magnetic properties need to be modulated. One of the energy efficient tools to maneuver interfacial magnetism is electric field effect. Voltage gating has been shown, in a number of studies since 2009, to locally and dynamically tune magnetic properties like interface anisotropy and saturation magnetization. However, its effect on interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction (DMI), which is crucial for the stability of magnetic skyrmions, has been challenging to achieve and has not been reported yet for ultrathin films.This thesis demonstrates an optimization of trilayer systems consisting of a heavy metal/ ferromagnet/ oxide where skyrmions can be stabilized. In particular, I focussed on the Ta/FeCoB/TaOx system to nucleate skyrmions in the presence of very small out of plane magnetic field. Further, the different skyrmionic zones as a function of the FeCoB thickness and TaOx oxidation state are studied. We then show electric field induced modulation of interfacial DMI which forms the most important result of this thesis. We demonstrate 130% variation of DMI with electric field in Ta/FeCoB/TaOx trilayers through Brillouin Light Spectroscopy (BLS). Using polar Magneto-Optical-Kerr-Effect microscopy, we further show a monotonic variation of DMI and skyrmionic bubble size with electric field, with an unprecedented efficiency. Since the electric field acts mainly on the FeCoB/TaOx interface, this study also points at the existence of the Rashba DMI explaining its high sensitivity to an applied voltage. We anticipate through our observations that a sign reversal of DMI with electric field is possible, leading to a chirality switch. This dynamic manipulation of DMI establishes an additional degree of control to engineer programmable skyrmion based memory, logic or neuromorphic devices.


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