Injection, transmission et détection de spin dans les antiferromagnétiques

par Lamprini Frangou

Projet de thèse en Nanophysique

Sous la direction de Vincent (phys) Baltz.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Spintronique et Technologie des Composants (laboratoire) depuis le 01-11-2014 .


  • Résumé

    La grande majorité des dispositifs fondés sur l'électronique de spin : têtes de lecture d'ordinateurs, mémoires à accès aléatoire magnétique, éléments de logique magnétique, composants radiofréquences s'appuie sur une brique indispensable basée sur les interactions entre matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Elles permettent de piéger l'aimantation de la couche ferromagnétique dans un sens fixé. Cela définit ainsi une référence pour le spin des électrons injectés dans le dispositif pour en déterminer son état de résistance ; état qu'il est par ailleurs possible de piloter. De plus, de récentes études montrent l'intérêt des matériaux antiferromagnétiques pour leurs propriétés de transport dépendant du spin. Une partie de nos activités est d'une part d'éclairer la compréhension fondamentale de ces phénomènes liés aux matériaux antiferromagnétiques : interactions entre matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques et interactions entre courant de spin et propriétés dépendant du spin des antiferrromagnétiques ; et d'autre part de contrôler les propriétés associées et en particulier leurs distributions et leurs tenues et sensibilités thermiques pour les intégrer aux dimensions nanométriques dans des dispositifs actuels ou de nouveaux dispositifs à l'étude [1]. Pour des applications de type mémoires à accès aléatoire assistées thermiquement, par exemple, un ensemble de points mémoires est nanofabriqué. L'écriture se fait via chauffage/refroidissement sous champ d'une couche ferromagnétique/ antiferromagnétique dite de stockage. La réalisation d'un produit commercialisable impose des contraintes d'homogénéité des propriétés d'un point mémoire à un autre. Pour analyser les distributions des propriétés magnétiques d'interface de la couche de stockage, nous tirons profit d'une technique de mesure que nous avons récemment extrapolée. Pour réduire les distributions, nous avons par exemple contrôlé les interdiffusions d'espèces chimiques via des doubles barrières de diffusions [2,3]. Ajuster finement la nature du matériau antiferromagnétique et plus précisément la composition de l'antiferromagnétique et la nature des diffusions aux interfaces et aux joints de grains semble être un bras de levier supplémentaire pour améliorer encore plus l'homogénéité des propriétés magnétiques d'interface [4]. Des idées de structures similaires sont également envisagées pour améliorer la sensibilité thermique de la couche de stockage et par la même l'efficacité de l'écriture. Nous avons également récemment montré qu'il était possible d'améliorer la tenue thermique en intégrant la couche antiferromagnétique entre deux couches ferromagnétiques, l'une à anisotropie planaire et l'autre à anisotropie perpendiculaire [5]. Cela permet par exemple, pour une même tenue thermique de réduire les épaisseurs des couches et par là même les dimensions caractéristiques de capteurs telles les têtes de lecture des disques durs d'ordinateur. Il se trouve que des tricouches similaires pourraient fournir une autre approche intéressante pour améliorer la sensibilité thermique de la couche de stockage. Les points ci-dessus feront l'objet d'une partie de la thèse. Au-delà des interactions d'échange ferromagnétique/antiferromagnétique, les matériaux antiferromagnétiques possèdent des propriétés de transport dépendant du spin dont il serait possible de tirer profit. Cette ‘électronique de spin antiferromagnétique' est une thématique extrêmement récente qui stimule une partie de la communauté. Nous avons démontré qu'il était possible de déterminer les longueurs caractéristiques de pénétration de spin dans un antiferromagnétique par pompage de spin à partir d'un matériau ferromagnétique résonant [6] et calculé théoriquement les tendances attendus pour des structures très idéalisées [7]. De nombreuses études fondamentales sont à conduire pour déterminer notamment l'impact de la nature du matériau, de sa structure et des interfaces sur les caractéristiques du transport de spin dans l'antiferromagnétique. Par ailleurs, d'autres études visant à écrire et à lire un matériau antiferromagnétique à l'aide uniquement de ses propriétés liées au transport dépendant de spin seront abordées : concernant la lecture, nous avons des idées de couches amplificatrices pour augmenter les signaux de magnétorésistance anisotrope tunnel d'un antiferromagnétique ; pour l'écriture, nous comptons mettre en œuvre des nanostructures à base d'antiferromagnétiques qui impliquent des phénomènes de retournement par couplage spin-orbite. Ces études seront l'objet d'une seconde partie de cette thèse. Cette thèse expérimentale centrée sur les matériaux antiferromagnétiques pour l'électronique de spin s'appuiera sur les nombreux moyens de dépôts (pulvérisation cathodique de métaux, d'oxides, possibilités d'oxydations plasma dans des chambres dédiées, possibilités de dépôts sous champ magnétiques etc), de recuits (fours de recuits sous champ jusqu'à 500°C) et de caractérisations magnétiques en température variable du laboratoire (VSM 4-400K et VSM 300-700K + procédure de distribution de températures de blocage, résonance ferromagnétique et pompage de spin), ainsi que sur les facilités de nanofabrications de la salle blanche PTA dans les mêmes locaux [8], notamment pour la réalisation de piliers nanométrique et des mesures de magnétorésistance tunnel anisotrope des films antiferromagnétiques. Cette thèse s'appuiera également sur l'expérience que le laboratoire a pu acquérir, continuellement et de longue date sur l'utilisation des antiferromagnétiques pour des problématiques d'anisotropie magnétique d'échange par couplage avec un ferromagnétique [2-5] et plus récemment en ce qui concerne le transport dépendant du spin dans les matériaux antiferromagnétiques [6,7]. [1] www.spintec.fr [2] Benefit of inserting a (Cu/Pt) intermixing dual barrier for the blocking temperature distribution of exchange biased Co/(Cu/Pt)/IrMn stack, K Akmaldinov, S Auffret, I Joumard, B Dieny and V Baltz, Appl. Phys. Lett. 103, 042415 (2013). [3] Atom probe tomography direct imaging of thermally activated diffusions through grain boundaries and consequences on Cu/Co/IrMn/Pt exchange bias properties, F. Letellier, L. Lechevallier, R. Lardé, J.-M. Le Breton, K. Akmaldinov, S. Auffret, B. Dieny, and V. Baltz, submitted preprint on demand (2014). [4] Mixing antiferromagnets to tune NiFe-[IrMn/FeMn] interfacial spin-glasses, grains thermal stability, and related exchange bias properties, K. Akmaldinov, C. Ducruet, C. Portemont, I. Joumard, I. L. Prejbeanu, B. Dieny, and V. Baltz, J. Appl. Phys. 115, 17B718 (2014). [5] Enhanced blocking temperature in (Pt/Co)(3)/IrMn/Co and (Pd/Co)(3)/IrMn/Co trilayers with ultrathin IrMn layer, G. Vinai, J. Moritz, S. Bandiera, I. L. Prejbeanu, and B. Dieny. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 322001 (2013). [6] Penetration depth and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 polycrystalline films by ferromagnetic resonance and spin pumping, P. Merodio, A. Ghosh, C. Lemonias, E. Gautier, U. Ebels, M. Chshiev, H. Béa, V. Baltz, and W. E. Bailey, Appl. Phys. Lett. 104, 032406 (2014). [7] Spin-modulated torque waves in ferrimagnetic tunnel junctions, P. Merodio, A. Kalitsov, H. Béa, V. Baltz, and M. Chshiev, submitted preprint on demand (2014). [8] www.pta-grenoble.com

  • Titre traduit

    Spin injection, transmission and detection in antiferromagnets


  • Résumé

    The vast majority of devices based on spin-electronics: computer read heads, magnetic random access memories, magnetic logic elements, radio frequency components is based on the interactions between ferromagnetic and antiferromagnetic materials. They can fix the magnetization of the ferromagnetic layer in a specific direction. This defines a reference to the spin of electrons injected into the device which determines consequently its resistance state; state that it is also possible to control. In addition, recent studies showed the interest of antiferromagnetic materials due to their spin-dependent transport properties. Part of our activities firstly concern the basic understanding of these phenomena associated with antiferromagnetic materials: interactions between ferromagnetic and antiferromagnetic interactions and spin current and spin-dependent properties of antiferrromagnetics; and secondly the control of the associated properties and in particular their distributions and thermal sensitivities in order to integrate them into nanoscale dimensions in the current devices and into new devices [1]. For the Thermally assisted random access memories type applications, for example, a set of memory points is nano-fabricated. The writing is done via heating / cooling field in a ferromagnetic layer / antiferromagnetic so-called storage. The implementation of an attractive product, industrially speaking, imposes constraints of homogeneity of the properties of a memory location to another. To analyze the distribution of the magnetic properties of the interface of the storage layer, we take advantage of the technology as we have recently extrapolated. To reduce the distributions, for example, we controlled the interdiffusions of chemical species via double gates broadcasts [2,3]. Finally to adjust the nature of the antiferromagnetic material and more specifically the composition of the antiferromagnetic and the nature of the broadcasts at the interfaces and at the grain boundaries seems to be an additional lever arm to further improve the homogeneity of the interface magnetic [4 ]. Similar structures are also envisaged to improve the thermal sensitivity of the storage layer and with the same efficiency of writing. We have also recently shown that it is possible to improve the heat resistance by integrating the antiferromagnetic layer between two ferromagnetic layers, one planar anisotropy and the other one with a perpendicular anisotropy. [5] This allows for example, for the same thermal resistance to reduce the thicknesses of the layers and hence the sensor characteristic dimensions as the read heads for computer hard drives. It is that similar three-layer could provide another interesting approach to improve the thermal sensitivity of the storage layer. The above points will be part of the thesis. Beyond the ferromagnetic exchange interaction, the antiferromagnetic materials have transport properties of spin-dependent which could be exploited. This antiferromagnetic spin electronics is a very recent research field that stimulates a part of the community. We have demonstrated that it was possible to determine the spin penetration characteristic lengths in an antiferromagnet using the spin pumping from a ferromagnetic resonance [6] and theoretically calculated the expected trends for highly ideal structures [7]. Many basic studies are being conducted to determine in particular the impact of the nature of the material, structure and interfaces on the characteristics of spin transport in antiferromagnets. Moreover, other studies such as to write and read an antiferromagnetic material using only its spin-dependent transport-related properties will be addressed: for the reading, we have ideas of amplifying layers to increase the signals of the tunneling anisotropic magnetoresistance of the antiferromagnet; for the writing, we plan to implement antiferromagnetic-based nanostructures that involve turning phenomena by spin-orbit coupling. These studies will be the subject of the second part of this thesis. This experimental thesis focused on antiferromagnetic materials for spintronics will be based on different deposition techniques (sputtering of metals, oxides, plasma oxidation opportunities in dedicated rooms, deposit opportunities under magnetic field etc. ), annealing (annealing furnaces field up to 500 ° C) and magnetic characterizations; at variable temperature (4-400K VSM and VSM 300-700K + blocking temperature distribution procedure, ferromagnetic resonance and pumping spin), and on nanofabrications facilities in the cleanroom PTA in the same building [8], especially for the production of nanoscale pillars and tunneling anisotropic magnetoresistance measurements with antiferromagnetic films. This thesis also rely on the experience that the laboratory has acquired, and in long terms on the use of antiferromagnets for the problematic magnetic anisotropy exchange coupling with a ferromagnet [2-5] and more recently regarding the spin-dependent transport in antiferromagnetic materials [6,7]. [1] www.spintec.fr [2] Benefit of inserting a (Cu / Pt) intermixing dual barrier for the blocking temperature distribution of exchange biased Co / (Cu / Pt) / IrMn stack, K Akmaldinov, S Auffret, I Joumard, B Dieny and V Baltz, Appl . Phys. Lett. 103, 042415 (2013). [3] Atom probe tomography imaging of live broadcasts thermally activated through grain boundaries and consequences on Cu / Co / IrMn / Pt exchange bias properties, F. Letellier, Lechevallier L., R. Lardé, JM Le Breton, K . Akmaldinov, S. Auffret, Dieny B., and V. Baltz, preprint Submitted On Demand (2014). [4] Mixing antiferromagnets to tune NiFe- [IrMn / FeMn] interfacial spin-glasses, thermal stability grains, and related exchange bias properties, K. Akmaldinov, C. Ducruet, C. Portemont, I. Joumard, IL Prejbeanu, B. Dieny, and V. Baltz, J. Appl. Phys. 115, 17B718 (2014). [5] Enhanced blocking temperature in (Pt / Co) (3) / IrMn / Co and (Pd / Co) (3) / IrMn / Co with trilayers IrMn ultrathin layer, G. Vinai, J. Moritz, S. Bandiera, I. Prejbeanu L., and B. Dieny. J. Phys. D: Appl. Phys. 46, 322001 (2013). [6] Penetration depth and absorption Mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 polycrystalline film by ferromagnetic resonance and spin pumping, P. Merodio, A. Ghosh, C. Lemonias, E. Gautier, U. Ebels, Mr. Chshiev, H. Bea V. Baltz, and WE Bailey, Appl. Phys. Lett. 104, 032406 (2014). [7] Spin-torque modulated waves in ferrimagnetic tunnel junctions, P. Merodio, A. Kalitsov, H. Bea, V. Baltz, and Mr. Chshiev, preprint Submitted On Demand (2014). [8] www.pta-grenoble.com