Actionnement magnétique à l'échelle nanométrique

par Lise Bilhaut

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Jean-Philippe Bourgoin.

Soutenue en 2009

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Systèmes microélectromécaniques
• Magnétisme
• Couches minces

Résumé

Cette thèse présente un nouveau système d'actionnement à l'échelle nanométrique, basé sur l'intégration de multicouches antiferromagnétiques/ferromagnétiques avec une nano-structure mécanique. Ces multicouches, utilisées dans les mémoires magnétiques, présentent la particularité de maintenir une forte aimantation lorsqu'on en réduit les dimensions. De plus, le sens de l'aimantation de certains empilements peut être modifié grâce à un système thermoélectrique. Ce principe d'actionnement est illustré par deux dispositifs : le premier est un nano-commutateur bistable, qui met à profit les forces dipolaires qui s'exercent entre deux aimants. La bistabilité est atteinte grâce au retournement de l'aimantation d'un des deux empilements magnétiques. Le second système est un nano-résonateur, mis en mouvement par la force de Laplace. Nous détaillons les modèles théoriques développés pour dimensionner ces deux dispositifs. Nous présentons également les empilements technologiques permettant la réalisation de ces nanosystèmes intégrés à très grande échelle sur des plaques de 200 mm. Un des points originaux est l'utilisation d'un procédé de libération basé sur la gravure d'une couche sacrificielle de titane par du XeF2. Nous abordons également la problématique du changement des paramètres matériaux, notamment de la résistivité, lorsque l'on réduit les dimensions. Cela nous permet de donner une estimation de la résistance de contact du nano-commutateur. Enfin, des mesures effectuées en vibrométrie laser par effet Doppler montrent que le système d'actionnement du nano-résonateur est capable de mettre la poutre en résonance, réalisant la preuve de concept de ce type d'actionnement.

Titre traduit

Magnetic actuation at the nanoscale

Résumé

This PhD thesis presents a new actuation scheme working at the nanoscale, based on the integration of an antiferromagnetic/ferromagnetic stack with a nanomechanical system. Those multilayers, inherited from spintronics and magnetic memory, have the specificity to maintain a high magnetization when decreasing their dimensions. Furthermore, the magnetization direction of some stack can be reversed thanks to a thermoelectrical system. We have illustrated this new actuation system with two devices. The first one is a nanoswitch that uses the dipolar interaction between two magnets in order to commute between two stable mechanical states. The bistability character is reached by switching the magnetization direction of one the two magnets. The second device is a nanoresonator actuated by the Lorentz force arising from the interaction between a current flowing through the mechanical system and the magnetic field of an integrated magnetic stack. This manuscript details the theoretical models established to design both devices. We present technological flow charts that allow the manufacturing of both devices in a very large scale integration on 8' wafers. One of the original steps is the release process based on a sacrificial titanium layer etched by xenon difluoride. We also deal with the change in material parameters, especially the resistivity, so we can give an estimated value for the contact resistance of a nanoswitch. Eventually, measurements made with a laser Doppler vibrometer have shown that the manufactured nanoresonator is indeed actuated by the Lorentz force, giving the proof of concept of this new actuation scheme.