Half-metal magnets Heusler compounds for spintronics

par Charles Guillemard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Andrieu et de François Bertran.

Soutenue le 17-10-2019

à l'Université de Lorraine , dans le cadre de École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine) , en partenariat avec Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz) (laboratoire) et de Synchrotron SOLEIL (établissement d'accueil) .

Le président du jury était Albert Fert.

Le jury était composé de Véronique Brouet.

Les rapporteurs étaient Joo-Von Kim, Virginie Serin.

  • Titre traduit

    Les alliages d’Heusler demi-métaux magnétiques pour l’électronique de spin


  • Résumé

    L'amélioration des techniques de dépôts et l’évolution de la compréhension de la physique de la matière condensée a conduit à la découverte de phénomènes nouveaux en électronique de spin (spintronique). En particulier, le retournement de l’aimantation par couple de transfert de spin et couple spin-orbite, ainsi que le développement de dispositifs basés sur la propagation d’ondes de spin ont fait de l’amortissement magnétique de Gilbert un paramètre central pour les futures technologies de stockage et de traitement de l’information. Dans cette étude, la prédiction de valeurs très faibles d’amortissement dans les alliages d’Heusler demi métaux magnétiques Co2MnZ est expérimentalement observée et directement corrélée à la structure électronique sous-jacente. En effet, en substituant l’élément Z dans des couches minces monocristallines de haute qualité de Co2MnZ (Z= Al, Si, Ga, Ge, Sn, Sb) faites par épitaxie par jet moléculaire, les propriétés électroniques telles que le gap de spin minoritaire, la position du niveau de Fermi et la polarisation en spin peuvent être accordées et leurs conséquences sur la dynamique de l’aimantation sont analysées. Les résultats expérimentaux nous permettent de comprendre la relation existante entre la structure électronique mesurée et la valeur d’amortissement magnétique, ainsi que de les comparer aux calculs ab initio. Les valeurs d’amortissement entre 4.1 x10-4 et 9 x10-4 pour Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn et Co2MnSb sont les plus petites valeurs jamais reportées pour des couches conductrices et constituent une preuve expérimentale qui confirme les prédictions théoriques sur ces alliages d’Heusler demi métaux magnétiques. Ensuite, la relation entre l’amortissement magnétique de Gilbert et le temps de désaimantation ultra-rapide induit par pulse laser dans la série d’alliages quaternaires Co2MnSixAl1-x à polarisation en spin variable est étudiée. Cette partie vise à vérifier des modèles théoriques qui essaient d’unifier ces deux quantités vivant sur des échelles de temps différentes. Finalement, les propriétés structurales et magnétiques de super réseaux Mn3Ga/Co2YZ sont étudiées dans le but de combiner un amortissement de Gilbert très faible, un gap de spin minoritaire ainsi que l’aimantation perpendiculaire aux plans des couches, une caractéristique indispensable pour des dispositifs à faible consommation d’énergie.


  • Résumé

    Improvements in thin film elaboration methods and a deeper understanding of condensed matter physics have led to new exciting phenomena in spin electronics (spintronics). In particular, magnetization reversal by spin-orbit and spin-transfer torque as well as the development of spin waves based devices have placed the Gilbert magnetic damping coefficient as a key parameter for future data storage and information processing technologies. The prediction of ultralow magnetic damping in Co2MnZ Heusler half-metal magnets is explored in this study and the damping response is shown to be linked to the underlying electronic structure. By substitution of the Z element in high quality Co2MnZ (Z=Al, Si, Ga, Ge, Sn and Sb) epitaxial thin films grown by molecular beam epitaxy, electronic properties such as the minority-spin band gap, Fermi energy position in the band gap, and spin polarization can be tuned and the consequences for magnetization dynamics analyzed. Experimental results allow us to directly explore the interplay of spin polarization, spin gap and Fermi energy position, with the magnetic damping obtained in these films (together with predictions from ab initio calculations). The ultralow magnetic damping coefficients measured in the range from 4.1 x10-4 to 9 x10-4 for Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn and Co2MnSb are the lowest values ever reported in conductive layers and offer a clear experimental demonstration of theoretical predictions on half metal magnetic Heusler compounds. Then, the relation between the Gilbert damping and the ultrafast demagnetization time in quaternary Co2MnSixAl1-x compounds with a tunable spin polarization is analyzed. This way, it is possible to confront theoretical models unifying those two quantities that live in different timescales. Finally, structural and magnetic properties of Mn3Ga/Co2YZ Heusler superlattices are investigated in order to combine ultralow Gilbert damping coefficient, minority spin band gap and perpendicularly magnetized heterostructures, another requirement for low energy consumption devices. Through the present work, we aim to prove that Heusler compounds provide an excellent playground to study fundamental magnetism and offer a pathway for future materials design.


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