Spin-transfer effects in spin-valves for CPP-GMR heads : a static and dynamic investigation

• Auteur / Autrice : Alina Maria Deac
• Direction : Jean-Pierre Nozières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble 1

Résumé

Bien que la physique des effets de transfert de spin ne soit pas complètement comprise, il est déjà clair que leurs applications seront de première importance pour la microélectronique: le renversement de l'aimantation induit par le courant polarisé est étudié comme méthode d'écriture alternative dans les mémoires magnétiques, et la précession de l'aimantation générée par le transfert de spin est envisagée comme principe de fonctionnement des nouveaux oscillateurs RF pour la téléphonie mobile. Cependant, si des nombreuses études on été menés dans des piliers métalliques de type Co/Cu/Co, peu de travail a été accompli sur des structures plus sophistiquées. Cette étude est l'une des premières à analyser les effets de transfert de spin dans des vannes de spin complexes, développées pour des têtes CPP-GMR, contenant un couche piégée synthétique et des couches laminées. Comme les densités de courant utilisées dans les têtes sont comparables à celles nécessaires pour générer des effets de transfert de spin, ces derniers peuvent induire du bruit parasite et affecter le fonctionnement du dispositif. Le transfert de spin dans ces multicouches a été étudié par des mesures statiques et dynamiques. L'influence de la nature des couches de lamination sur la GMR et les courants critiques a été aussi analysée. Alors que les diagrammes de phase statiques peuvent être interprétés à partir du modèle macrospin de Sionczewski, des simulations micromagnetiques sont nécessaires pour comprendre les spectres hyperfréquence. Pour la première fois, des modes de précession dans la couche piégée ont été observés. Ces modes de plus forte puissance semblent plus prometteurs pour les applications.

Though the physics of spin-transfer effects is still not fully understood, it is already cIear that the applications would be of major importance for microelectronics : current induced magnetization switching is under evaluation as a new write scheme for magnetic memories, while spin-torque excitec magnetization precession may be the working principle of new RF oscillators for telecom devices. If much is known nowadays about spin-transfer in simple metallic pillars of the type Co/Cu/Co, more complicated structures have only started to be investigated recently. The present study was the first to analyze spin-transfer effects in complex spin-valves developed for CPP-GMR heads, containing exchanged biased synthetic antiferromagnetic layers, with laminated reference and free layers. As the current densities used in such devices are of the same order of magnitude as the currents at which spin-torque induced excitations are observed, these effects can generate parasitic noise and influence the functionin of the magnetic heads. Spin-transfer has been investigated in these multilayers through static and dynamic measurements and the influence ofthe laminating material on the CPP-GMR and the switching currents was analyzed as weil. While the static phase diagrams can be fairly weil understood based on Sionczewski's macrospin model, full micromagnetic simulations are required to interpret the microwave spectra. For the first time, precession states excited by the spin-polarized current in the pinned layer, considerably more coherent than the dynamics of the free layer, were unequivocally demonstrated, suggestin a new possible structure for microwave oscillators.