Mn4N thin films for spintronics applications based on current-induced domain wall motion

par Toshiki Gushi

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Olivier Fruchart et de Takashi Suemasu.

Soutenue le 14-02-2019

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

Le président du jury était Hideto Yanagihara.

Le jury était composé de Yuzo Ohno, Seiji Mitani, Nora Dempsey, Agnès Barthélémy, Jean-Philippe Attané, Laurent Vila.

Les rapporteurs étaient Yoshichika Otani, André Thiaville.

  • Titre traduit

    Films minces Mn4N pour les applications de spintronique basées sur le mouvement de paroi de domaine induit par le courant


  • Résumé

    Un nouveau matériau spintronique, Mn4N, a été étudié. Les couches minces ferrimagnétiques Mn4N possèdent une aimantation spontanée Ms relativement petite et une forte anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et conviennent donc aux dispositifs à mémoire à couple de rotation. De plus, Mn4N est composé uniquement d’éléments bon marché, légers et abondants, sans terres rares ni métaux nobles, et donc exempt de criticité matérielle. Dans ce travail, les propriétés magnétiques et de magnéto-transport de Mn4N développé sur un substrat de SrTiO3 (STO) ont été évaluées.Tout d'abord, les propriétés magnétiques et magnéto-transport des films minces de Mn4N sont évaluées, ce qui permet de constater leur amélioration spectaculaire en remplaçant les substrats classiques en MgO par des substrats en STO. Ce système Mn4N / STO présente des propriétés étonnantes: une structure de domaine de taille millimétrique, une aimantation totalement rémanente à champ nul et une commutation d’aimantation nette provoquée par une faible nucléation de domaine inversé et une propagation en douceur de DW. Ces propriétés, associées à un très petit Ms et à un grand PMA, soulignent son potentiel pour les applications spintroniques.Deuxièmement, l’efficacité de génération du couple de transfert de spin (STT) dans le film mince Mn4N a été mesurée en mesurant la vitesse de la paroi de domaine (DW) entraînée par des impulsions de courant. La vitesse DW atteint des valeurs record de 900 m / s pour une densité de courant de 1,3 × 10 12 A / m2. Cette valeur est la plus élevée de tous les systèmes pilotés par le STT et est comparable à la vitesse la plus élevée obtenue avec les SOT. La mobilité DW η est également très grande, la plus élevée de tous les systèmes basés sur STT. L'ajustement de nos données à l'aide d'un modèle analytique 1D permet d'extraire une polarisation de spin des électrons de conduction de 0,81, ce qui suggère que Mn4N pourrait convenir à l'obtention de grandes magnétorésistances. De plus, ces propriétés étonnantes ont été obtenues sans aucun élément de terre rare, aucune structure d’empilement, ni assistance extérieure telle que des champs magnétiques / électriques ou des contraintes mécaniques.Enfin, les propriétés magnétiques ont été ajustées par une petite quantité d'introduction de Ni dans Mn4N. L'aimantation spontanée de Mn4N sur STO a été réduite par l'introduction de Ni avec maintien d'un PMA fort et rémanence totale. Ce résultat indique que le système ferrimagnétique Mn4N pourrait être compensé en substituant des atomes de Ni. Récemment, la compensation du ferrimagnet a été activement étudiée car le ferrimagnet compensé fournit une efficacité infinie en spin-couple. Les trois évidences de la compensation ont également été démontrées, l'inversion de l'angle de Hall anormal, la chiralité de rotation de Kerr et la dépendance de l'aimantation en fonction de la température. Le point de compensation de la composition a été estimé autour de Mn3.82Ni0.18N. Nous avons suggéré le modèle de compensation de Mn4N par l'introduction de Ni, qui est compatible avec la réduction par MS, l'inversion des courbes AHE, Kerr et M-T.En résumé, un potentiel de films Mn4N et Mn4-xNixN a été démontré comme un candidat prometteur pour les applications spintroniques telles que les dispositifs de mouvement DW induits par le courant avec de grandes propriétés: nucléation de domaine et propagation DW lisse, efficacité de génération de STT ultra-haute et accordabilité de la magnétisation par Ni-introduction. Ces propriétés étonnantes ont été réalisées sans terres rares ni métaux nobles, ce qui peut constituer une étape importante dans le remplacement des matériaux à base de terres rares par des éléments abondants.


  • Résumé

    A new spintronic material Mn4N has been investigated. Ferrimagnetic Mn4N thin films possess relatively small spontaneous magnetization Ms and strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and thus are suitable for spin-torque based memory devises. In addition, Mn4N is composed of only cheap, light and abundant elements without any rare-earth nor noble metals., thus free from material criticality. In this work, magnetic and magneto-transport properties of Mn4N grown on SrTiO3 (STO) substrate have been evaluated.First, the magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films are evaluated, resulting in finding out dramatically improvement of them by replacing conventional MgO substrates by STO substrates. This Mn4N/STO system exhibits astonishing properties: a millimeter-sized domain structure, fully remnant magnetization at zero field and a sharp magnetization switching caused by scarce nucleation of reversed domain and smooth DW propagation. These properties, associated to a very small Ms and a large PMA, underline its potential for spintronic applications.Second, the generation efficiency of spin-transfer torque (STT) in Mn4N thin film has been measured by measuring the speed of domain wall (DW) driven by current pulses. The DW velocity reaches record values of 900 m/s for a current density of 1.3×10^12 A/m2. This value is the highest in all STT-driven systems and is comparable to the highest speed obtained using SOTs. The DW mobility η is also very large, the highest in all STT-based systems too. Fit of our data using a 1D analytical model allows extracting a spin polarization of the conduction electrons of 0.81, suggesting that Mn4N could be suitable to obtain large magnetoresistances. In addition, these amazing properties have been achieved without any rare earth elements, stack structures, nor external assistance such as magnetic/electric field or mechanical stress.At last, the magnetic properties have been tuned by a small amount of Ni-introduction to Mn4N. The spontaneous magnetization of Mn4N on STO has been reduced by Ni-introduction with keeping strong PMA and full remanence. This result indicates the ferrimagnetic Mn4N system might be compensated by substituting Ni atoms. Recently compensation of ferrimagnet has been actively studied because the compensated ferrimagnet provides infinite spin-torque efficiency. The three evidences of the compensation have also been demonstrated, the reversal of anomalous Hall angle, Kerr rotation chirality, and the temperature dependence of magnetization. The compensation point of composition has been estimated around Mn3.82Ni0.18N. We suggested the compensation model of Mn4N by Ni introduction which is consistent with the MS reduction, the reversal of AHE, Kerr and M-T curves.In summary, a potential of Mn4N and Mn4-xNixN films has been demonstrated as a promising candidate for spintronic applications such as current induced DW motion devices with great properties: scares domain nucleation and smooth DW propagation, ultrahigh STT generation efficiency, and tunability of magnetization by Ni-introduction. These amazing properties have been achieved without rare-earth nor noble metal, which can be a milestone for replacement of rare-earth-based materials by abundant elements.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Université Savoie Mont Blanc (Chambéry-Annecy). Service commun de la documentation et des bibliothèques universitaires. Bibliothèque électronique.
  • Bibliothèque : Service Interétablissement de Documentation. LLSH Collections numériques.
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation. STM. Collections numériques.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.