Etude des propriétés de magnétotransport des nitrures à base de Mn4N pour un mouvement efficace de paroi du domaine induit par courant

Investigation of magneto-transport properties of Mn4N-based nitrides for efficient current-induced domain wall motion

• Auteur / Autrice : Taro Komori
• Direction : Olivier Fruchart, Takashi Suemasu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 30/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec Université de Tsukuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Spintronique et technologie des composants (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Hideto Yanagihara
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nora Dempsey, Laurent Ranno, Sébastien Petit-Watelot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yasuhiro Nimi, Florent Tournus

Mots clés

Mots clés contrôlés

Domaines magnétiques

Ferrimagnétisme

Nitrures

Spintronique

Mots clés libres

Mouvement de paroi magnétique

Spintronique

Nitrures

Ferrimagnetisme

Domain wall motion

Spintronics

Nitrides

Ferrimagnetism

Résumé

Le mouvement des parois de domaine induit par courant (CIDWM) est l'un des domaines de recherche les plus importants en spintronique car il peut être appliqué à de nouveaux dispositifs magnétiques tels que les mémoires de type racetrack, etc. Ils sont des technologies attrayantes grâce à leur non-volatilité et leur fonctionnement rapide. Du point de vue de l'ingénierie des matériaux, notre groupe s'est concentré sur les films minces de Mn4N et Mn4-xNixN. Nous avons enregistré des vitesses de paroi de 900 m/s dans Mn4N, et de 3000 m/s dans Mn4-xNixN au voisinage de sa compensation de moment angulaire (à x ∼ 0,2) à température ambiante. Ce sont les CIDWM les plus rapides par couples de transfert de spin (STT) purs. Dans ce contexte, nous avons étudié les propriétés magnétiques et de magnéto-transport de ces composés pour comprendre en particulier l'interaction entre les électrons de conduction et les électrons localisés et avons tenté de réaliser des CIDWM pilotés par des SOTs pour un fonctionnement plus efficace.Le chapitre 1 se concentre sur la théorie du magnétisme et les couples qui induisent le CIDWM. Nous avons également montré l'avantage de la compensation dans les ferrimagnets pour le CIDWM et fait son état de l’art dans la littérature.Dans le chapitre 2, nous présentons un aperçu du Mn4N. Tout d'abord, nous expliquons les propriétés fondamentales du Mn4N et concluons qu'elles sont bénéfiques pour le CIDWM. Ensuite, nous présentons nos expériences de CIDWM dans le Mn4N et le Mn4-xNixN, dans lesquelles nous mettons en évidence le lien entre la vitesse rapide et la compensation du moment angulaire du Mn4-xNixN. Nous présentons également les études précédentes et nos propres études sur les composés à base de Mn4N.Dans le chapitre 3, nous menons la croissance de films épitaxiaux de Mn4N sur différents substrats afin d'étudier l'origine de l’anisotropie perpendiculaire (PMA) dans le Mn4N. Notre étude précédente a abouti à l'hypothèse que la PMA dérive de la contrainte de traction dans le plan du Mn4N, cependant, cette corrélation n'a pas encore été prouvée. Nous avons réussi à moduler la contrainte de traction par l'épaisseur et le désaccord de maille entre le Mn4N et le substrat de croissance. Au final, nous avons trouvé une corrélation claire entre la PMA et l'amplitude du rapport des constantes de réseau (c/a).Dans le chapitre 4, nous étudions les propriétés de magnéto-transport du Mn4-xNixN par de mesures de magnétorésistance anisotrope (AMR) et d'effet Hall anormal (AHE). L'AMR a révélé un changement de l'état des électrons d en fonction de la température, qui diminue avec l'insertion de Ni. Nos calcul ab-initio des PDOSs de Mn4-xNixN a prouvé qu'il dérive d'un changement drastique du niveau de Fermi et du changement du PDOS de Mn même à faible composition de Ni. Nous avons analysé l'AHE et révélé qu'une grande déviation intrinsèque contribue à l'AHE à basse température dans le Mn4N alors que les diffusions extrinsèques deviennent dominantes à haute température et dans le Mn4-xNixN.Dans le chapitre 5, nous visons la croissance d'hétérostructure de métal lourd (HM) (Pt ou W) et de Mn4N pour tenter de réaliser un CIDWM piloté par les SOTs à partir de l'effet Hall de spin. Nous avons observé des domaines magnétiques larges et stables dans ces échantillons, cependant, nous avons également constaté que les renversements d’aimantation sont affectés par du piégeage, qui peuvent provenir des conditions interfaciales tels que la formation d'alliage et l'endommagement par le processus de pulvérisation de la couche HM. Nous avons atteint une vitesse de DW de 420 m/s. Cependant, nous n'avons pas pu trouver un effet clair des SOTs sur le CIDWM.En conclusion, la modulation de la PMA par la contrainte et des propriétés de magnéto-transport par les dopants va élargir les possibilités du Mn4N. L'utilisation des SOTs pour le Mn4N sera tentée avec l'aide du champ dans le plan et l'optimisation des hétérostructures.

Current-induced domain wall motion (CIDWM) is one of the most important spintronics research fields because it can be applied to new magnetic devices such as a racetrack memory, spin-transfer majority gate, and so on. They constitute an attractive technology thanks to their non-volatility and fast operation. From material engineering, our group has focused on Mn4N and Mn4−xNixN films as new candidates for CIDWM. We recorded the DW velocity of 900 m/s in Mn4N, and 3000 m/s in Mn4−xNixN at the vicinity of its angular momentum compensation (at x ∼ 0.2) at room temperature. These are the fastest records among CIDWM by pure spin-transfer torques (STTs). In this context, we investigated their magnetic and magneto-transport properties to understand especially the interaction between conduction and localized electrons and attempted to perform SOTs-driven CIDWM for more efficient operation.Chapter 1 focuses on the theory of magnetism, especially ferrimagnets, and the torques which induce CIDWM. We also showed the advantage of the compensation in ferrimagnets for CIDWM and benchmark CIDWM in the literature.In chapter 2, we present an overview of Mn4N and Mn4N-based compounds. First, we explain the fundamental properties of Mn4N and concluded that they are beneficial for CIDWM. Then, we present our experiments of CIDWM in Mn4N and Mn4−xNixN, in which we evidence the link between the observed fast DW velocity and the angular momentum compensation of Mn4−xNixN. We also introduce previous reports and our own studies on Mn4N-based compounds and explain the compensation in other nitrides such as Mn4−xCoxN.In chapter 3, we attempt the growth of Mn4N epitaxial films on various substrates to investigate the origin of PMA in Mn4N. Our previous study reached the assumption that its PMA derives from the in-plane tensile strain of Mn4N, however, this correlation was not been proven yet. We succeeded in the modulation of the tensile strain by the thickness and the lattice mismatch between Mn4N and the growth substrate. In the end, we found a clear correlation between PMA and the magnitude of the ratio of lattice constants of Mn4N (c/a). We thereby concluded that PMA derives from the spontaneous in-plane tensile strain of Mn4N films and that it is possible to control its PMA by applying external stress to films.In chapter 4, we investigate the magneto-transport properties of Mn4−xNixN from anisotropic magnetoresistance (AMR) and anomalous Hall effect (AHE) measurements. From AMR, we found a change of the d electrons state by temperature, which became less effective with Ni insertion. Our ab-initio calculation of PDOSs of Mn4−xNixN proved that it derives from a drastic shift in the Fermi level and the change in the PDOS of Mn even by small Ni composition. Also, we analyzed the scaling of AHE and discovered that large intrinsic deflection contributes to the AHE in Mn4N at low temperatures while extrinsic scatterings become dominant at high temperatures or in Mn4−xNixN.In chapter 5, we aim at the growth of the heterostructure of heavy metal (HM) (Pt or W) and Mn4N to attempt SOTs-driven CIDWM from the spin Hall effect. We observed large and stable magnetic domains in these samples, however, we also found that the magnetization reversals are affected by DW pinnings, which may come from the interfacial condition such as alloying and damaging by the sputtering process of the HM layer. We process them into multiwires for CIDWM investigation and achieved DW velocity of 420 m/s. However, we could not find a clear effect of SOTs on CIDWM. We propose that measurements with an in-plane field should be performed to form chiral Néel DWs, a prerequisite for the use of SOTs by SHE.To conclude, the modulation of PMA by the strain and of the magneto-transport properties by dopants will broaden the possibility of Mn4N. The use of SOTs for Mn4N will be attempted with the assistance of the in-plane field and the optimization of the heterostructure.