Anisotropie magnétique perpendiculaire, interaction Dzyaloshinskii-Moriya d’interface et coefficient d’amortissement dans les systèmes à base de matériau ferromagnétique / métal lourd

Perpendicular magnetic Anisotropy, interface Dzyaloshinskii-Moriya interaction and damping coefficient in ferromagnetic / heavy metal systems

• Auteur / Autrice : Ibtissem Benguettat
• Direction : Mohamed Belmeguenai, Larbi Chahed, Fatiha Kail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Paris 13 en cotutelle avec Université d'Oran
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université des Sciences et de la Technologie d'Oran Mohamed-Boudiaf (Algérie) - Laboratoire des Propriétés Mécaniques et Thermodynamiques des Matériaux (....-2010)
• Jury : Président / Présidente : Abdelbacet Khelil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Liza Herrera Diez, Salim-Mourad Cherif, Franck Vidal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhamid Layadi, Liza Herrera Diez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Skyrme, Modèle de

Chiralité (physique)

Brillouin, Effet

Spintronique

Mots clés libres

Couplage spin-Orbite

Anisotropie magnétique perpendiculaire

Pompage de spin

Spin-Orbit coupling

Perpendiular magnetic anisotropy

Spin pumping

Résumé

L'électronique conventionnelle est basée sur la manipulation de la charge électrique. La spintronique est un domaine émergent qui utilise le spin des électrons comme de degré de liberté supplémentaire pour générer de nouvelles fonctionnalités. Pour cela, les systèmes ultra-minces intégrant des empilements de matériau ferromagnétique/métal lourd  (FM/HM) à fort couplage spin-orbite (SOC) font actuellement  l'objet de recherches intensives en raison de leurs applications potentielles dans ce domaine. Divers nouveaux mécanismes et phénomènes se produisent dans ces structures telles que le pompage de spin, l'anisotropie magnétique perpendiculaire et l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'interface (iDMI). Ce travail de thèse est dédié à l'étude expérimentale de ces trois phénomènes dans les empilements à base d'interface FM/HM (où FM = Co, CoFeB et LSMO et HM= Pt, Ta, W, Ir, et Ru?). Une attention particulière a été portée aux effets des épaisseurs des matériaux FM ou HM, du nombre de répétition en multicouches et du recuit. Le comportement de l'anisotropie magnétique (dans le plan et hors du plan des échantillons), ainsi que les différentes contributions intrinsèques et extrinsèques à l'amortissement ont été cernés à l'aide de la technique de résonance ferromagnétique. Un intérêt particulier est accordé à l'iDMI, étudiée par la technique de la diffusion Brillouin de la lumière, via la mesure directe de la non-réciprocité de la propagation des ondes de spin. Le caractère interfacial de l'iDMI  dans les différents systèmes a été démontré ainsi que la possibilité de moduler (en signe et en intensité) sa constante effective par le choix des différents empilements étudiés. De plus, une iDMI significative a été mesurée en utilisant une couche de couverture à base d'oxyde de métal (PtOx et TaOx). Enfin, après avoir déterminé l'épaisseur de saturation de ces trois effets, une corrélation linéaire ou non linéaire entre eux a été mise en évidence dans certains systèmes étudiés. Les résultats obtenus à partir de ce travail contribuent principalement à une compréhension approfondie de ces trois phénomènes d'interface et valident l'importance d'une iDMI modulable pour les futurs dispositifs spintroniques à base de structures chirales tels que les skyrmions et les parois de domaines.

Conventional electronics is based on the manipulation of the electrical charge. In contrast spintronics which is an emerging field, uses electron spin as an additional degree of freedom to generate new functionalities. For this purpose, ultrathin systems integrating ferromagnet/heavy metal (FM/HM) stacks with strong spin-orbit coupling (SOC) are currently the subject of intensive research owing to their potential applications in this field. Various new mechanisms and phenomena occur in these structures, such as spin pumping, perpendicular magnetic anisotropy and interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI). This work is devoted to the experimental study of these three phenomena in FM/HM interface based stacks (where FM = Co, CoFeB and LSMO and HM= Pt, Ta, W, Ir, and Ru...). Particular attention has been given to effects of FM or HM thicknesses, the number of repeats in multilayers and annealing. The behavior of the magnetic anisotropy (in and out-of-sample's plane), as well as the different intrinsic and extrinsic contributions to the damping have been identified, using ferromagnetic resonance technique. A particular interest is given to the iDMI, studied by Brillouin light scattering technique, via the direct measurement of the non-reciprocity of the spin wave propagation. The interfacial character of the iDMI, in the different systems, as well as the possibility to modulate (its sign and strength) have been demonstrated by the choice of the different studied stacks. Furthermore, a significant iDMI was achieved, using a metal oxide (PtOx and TaOx) capping layer. Finally, after determining the saturation characteristic length scale of these three SOC related effects, a linear or non-linear correlation between them was revealed in some of the studied systems. The obtained results mainly contribute to a deeper understanding of these three interface phenomena and validate the importance of a scalable iDMI for future spintronic devices based on chiral structures such as skyrmions and domain walls