Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Couches ultraminces magnétiques“

Dans le domaine de l’électronique de spin, le filtrage de spin est un phénomène physique qui permet de générer des courants d'électrons polarisés en spin grâce au transport dépendant du spin à travers une barrière tunnel ferromagnétique. Alors que le filtrage de spin à température ambiante est très attractif pour les applications, il existe peu de matériaux ayant les propriétés électriques et magnétiques requises. Les ferrites isolants XFe2O4 (X= Co, Ni, Mn), qui présentent des températures de Curie nettement supérieures à 300 K, sont de bons candidats pour jouer le rôle de filtre à spin à température ambiante. Dans cette thèse, je présente une étude approfondie des ferrites MnFe2O4, NiFe2O4 et CoFe2O4 en films ultraminces épitaxiés pour le filtrage de spin à température ambiante, en me penchant sur leur croissance par épitaxie par jets moléculaires. Les propriétés structurales, chimiques, magnétiques et électriques ont été étudiées par plusieurs méthodes de caractérisation in situ et ex situ, qui ont permis de démontrer le fort potentiel de ces oxydes pour jouer le rôle de barrière tunnel magnétique à température ambiante. Les filtres à spin ont ensuite été intégrés dans des jonctions tunnel afin de faire des mesures de transport tunnel polarisé en spin, soit par la méthode de Meservey-Tedrow, soit par des mesures de magnétorésistance tunnel (TMR). Ces mesures ont révélé pour la première fois un effet de filtrage de spin à travers MnFe2O4(111) et des effets de TMR ont été obtenus dans des nano-jonctions tunnel à base de CoFe2O4(111), permettant d’obtenir la plus forte polarisation en spin actuelle à température ambiante par effet de filtrage de spin

L'anisotropie perpendiculaire de films ultraminces magnétiques résulte de phénomènes d'interface induisant une aimantation préférentiellement perpendiculaire au plan du film. Dans une première partie, nous étudions cette anisotropie magnétique perpendiculaire dans des films épitaxiés métal/cobalt/métal, avec pour métal: Pt, Au, Cu et AuxCu1-x. Les influences du métal, de la qualité cristalline et de la déformation du film magnétique de Co sont analysées. Dans une deuxième partie, nous étudions l'ajustement de l'anisotropie perpendiculaire de films Co/Pt et Co/Au par irradiation ionique uniforme aux ions N+ 150keV et Si+ 30keV. Différentes évolutions magnétiques sont observées lorsque la dose d'irradiation augmente: réduction de la coercivité, puis réorientation de l'anisotropie de perpendiculaire à parallèle au plan du film pour Co/Pt, et enfin mélange total de l'empilement conduisant à un comportement paramagnétique. L'utilisation d'un faisceau Si+ 30keV focalisé (FIB) est également testée pour structurer des réseaux de plots magnétiques de 1´1 mm2
Perpendicular anisotropy of ultrathin magnetic films results from interfacial phenomena that induce a magnetization orientated preferentially perpendicular to the film plane. In a first part, this perpendicular anisotropy is studied in epitaxial metal/cobalt/metal films, with metal: Pt, Au, Cu et AuxCu1-x. The effects of the metal, the structural quality and the magnetic film stress are analysed. In a second part, the tuning of perpendicular magnetic anisotropy is studied on Co/Pt and Co/Au films by N+ 150keV and Si+ 30keV uniform ion irradiation. Successive magnetic changes are observed with increasing the irradiation dose: coercivity reduction, anisotropy switching from out-of-plane to in-plane for Co/Pt, and paramagnetic behaviour due to total mixing. Finally, we use Si+ 30keV focused ion beam (FIB) to pattern 1´1 mm2 magnetic dot arrays

La capacité à cartographier le champ magnétique à l'échelle nanométrique serait un atout crucial pour étudier les propriétés magnétiques des solides ainsi que certains phénomènes de transport, mais aussi pour des études fondamentales en biologie. Cette thèse porte sur la réalisation d'un microscope de champ magnétique d'un genre nouveau, qui promet une résolution spatiale de quelques nanomètres, une sensibilité de l'ordre du nanotesla, et fonctionne aux conditions ambiantes. Ce microscope est basé sur le défaut azote-lacune du diamant, dont les propriétés quantiques peuvent être exploitées pour en faire un magnétomètre ultrasensible de taille atomique. Dans un premier temps, nous présenterons le fonctionnement et la réalisation du microscope à défaut azote-lacune, qui consiste essentiellement en un microscope à force atomique sur la pointe duquel un nanocristal de diamant est attaché. Nous testerons le microscope en imageant le champ de fuite généré par un cœur de vortex dans un microdisque ferromagnétique. Dans un second temps, nous appliquerons le microscope à l'étude de couches ferromagnétiques ultraminces. Ces systèmes présentent un intérêt à la fois fondamental, les effets d'interfaces restant encore largement inexplorés à ce jour, et technologique, puisqu'ils sont à la base de propositions pour la réalisation de nouvelles mémoires magnétiques à basse consommation d'énergie. Nous étudierons d'abord la nature des parois de domaines dans ces couches ultraminces, ce qui nous permettra de révéler l'existence d'une interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'origine interfaciale dans certains échantillons. Nous étudierons ensuite les sauts nanométriques d'une paroi de domaine induits par l'agitation thermique. Nous démontrerons en particulier le contrôle de ces sauts par un laser, ce qui nous permettra de visualiser et explorer le paysage énergétique de la paroi
The ability to map the magnetic field at the nanometer scale would be a crucial advance to study the magnetic properties of solids as well as some transport phenomena, but also for fundamental studies in biology. This thesis deals with the realisation of a magnetic field microscope of a new kind, which promises a spatial resolution down to a few nanometres, a sensitivity of the order of a few nanoteslas, and operates under ambient conditions. This microscope is based on the nitrogen-vacancy defect in diamond, whose quantum properties can be harnessed to make an ultrasensitive, atomic-size magnetometre. In the first part, we will present the basic principles and the realisation of the nitrogen-vacancy defect microscope, which consists essentially in an atomic force microscope on the tip of which a diamond nanocrystal is grafted. We will test the microscope by imaging the stray field generated by a vortex core in a ferromagnetic microdisk. In the second part, we will apply the microscope to the study of ultrathin ferromagnets. These systems are interesting both from the physical point of view, as interface effects have been little explored so far, and for technology, as they are the cornerstone of several proposals for realising novel magnetic memory devices with low energy consumption. We will first study the nature of domain walls in these ultrathin ferromagnets, which will enable us to reveal the existence of an interface-related Dzyaloshinskii-Moriya interaction in some samples. Next, we will study the nanometric jumps of a domain wall induced by thermal fluctuations. In particular, we will demonstrate control over these jumps using a laser, which will allow us to visualise and explore the wall's energy landscape

Les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire suscitent beaucoup d'intérêt, du fait de leur possible utilisation pour l'enregistrement magnétique de haute densité. Parmi les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire, les multicouches Co/Ni sont particulièrement intéressantes car elles peuvent également être utilisées comme électrodes magnétiques dans des vannes de spin dont la configuration magnétique peut être modifiée grâce au couple magnétique (spin torque) exercé par un courant électrique polarisé en spin de relativement faible intensité. L'objectif de cette thèse est d'étudier la structure électronique de superéseaux Co/Ni(111) avec des codes de calcul DFT. Dans un premier temps, nous avons caractérisé les états électroniques localisés qui peuvent exister dans des nanostructures Co/Ni: états de Shockley à la surface de ces multicouches ou états de puits quantique dans une couche de Co déposée sur un substrat de Ni ou enterrée entre deux couches épaisses de Ni. Dans un second temps, nous avons cherché à comprendre l'origine de l'anisotropie magnétique dans les superéseaux Co/Ni(111) en reliant ses variations à la nature des états électroniques. Nous avons calculé l'énergie d'anisotropie magnétique des superéseaux Co/Ni(111) pour sélectionner ceux dont l'anisotropie magnétique est perpendiculaire. Nous avons relié l'anisotropie magnétique à l'anisotropie des moments magnétiques orbitaux des atomes du superéseau, en accord avec les conclusions du modèle de Bruno. La comparaison des moments magnétiques obtenus par calculs ab initio et mesurés par dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD) a également été effectuée
Materials with perpendicular magnetic anisotropy are interesting for high density magnetic recording. Among these materials, Co/Ni multilayers are promising because they can also be used as magnetic electrodes in spin valves, the magnetic configuration of which can be modified by spin torque effect using a low intensity spin polarised electric current. The aim of this thesis is to study the electronic structure of Co/Ni(111) multilayers from DFT calculations. We first described the localized electron states which can exist in these nanostructures: Shockley states at the surface of these multilayers or quantum-well states in Co layer grown on a Ni substrate or buried between two thick Ni layers. In a second step, we interpreted the magnetic anisotropy of Co/Ni(111) multilayers in terms of electron states. We calculated the magnetic anisotropy energy of Co/Ni(111) multilayers to select the systems with perpendicular magnetic anisotropy. We analyzed the magnetic anisotropy in terms of the anisotropy of the orbital magnetic moments of the atoms in the multilayers, according to the model developed by Patrick Bruno. The comparison between the magnetic moments calculated ab initio and measured by X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) has also been performed

La thèse porte sur l’élaboration et l’étude de couches nanométriques allant de Pt/Co/Pt à Pt/Co/oxyde et Pt/Co/métal lourd. Ces couches pourront faire partie du cœur magnétique de dispositifs spintroniques. Une anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) est requise. L’objectif est de modifier et contrôler la PMA et de manipuler l’aimantation, par un champ magnétique et aussi par tout autre moyen tel que la lumière, la contrainte ou le courant. Une part importante du travail concerne la mise en place de plusieurs plateformes de croissance (pulvérisation cathodique), de traitement (irradiation ionique) et de caractérisation (magnéto-optique Kerr), travail auquel j’ai contribué ou que j’ai dirigé. La PMA de couches de Co a été obtenue sur substrats rigides et souples, propices pour des applications. La modification de la PMA a été étudiée en variant les couches tampon et de couverture. Une modulation réversible de la PMA a été réalisée par le biais de la transition de phases d’une couche tampon de VO2. Dans des couches Pt/Co/oxyde et Pt/Co/métal lourd, la propagation de parois de domaines magnétiques a été analysée par microscopie Kerr sous impulsions magnétiques perpendiculaire et transverse, afin de sonder des effets d’interface. La propagation non-isotrope de parois de domaine en présence d’un champ magnétique transverse révèle une texture d’aimantations chirale compatible avec l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. Cela suggère que des couches ultraminces (< 1 nm) de Co sont susceptibles de générer des états chiraux tels que skyrmions à la température ambiante. Ce travail montre que des structures basées sur Pt/Co sont versatiles et utiles pour l’électronique de spin
The thesis focuses on the growth and study of nanoscale layers from Pt/Co/Pt to Pt/Co/oxide and Pt/Co/heavy metal. These layers could be part of the magnetic core of spintronic devices. Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is required. The objective is to modify and control the PMA and to manipulate the magnetization, by a magnetic field and also by any other means such as light, stress or current. A significant part of the work concerns the establishment of several platforms for growth (sputtering), treatment (ion irradiation) and characterization (magneto-optic Kerr effect), work to which I contributed or led. The PMA of Co layers was obtained on rigid and flexible substrates, suitable for applications. The modification of the PMA has been studied by varying the buffer and cover layers. Reversible modulation of PMA was achieved through the phase transition of a VO2 buffer layer. In Pt/Co/oxide and Pt/Co/heavy metal layers, the propagation of magnetic domain walls was analyzed by Kerr microscopy under perpendicular and transverse magnetic pulses, in order to probe interface effects. The non-isotropic propagation of domain walls in the presence of a transverse magnetic field reveals a chiral texture of magnetizations compatible with the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. This suggests that ultrathin layers (<1 nm) of Co are likely to generate chiral states such as skyrmions at room temperature. This work shows that structures based on Pt/Co are versatile and useful for spin electronics

L'aspect novateur de ce travail est la recherche des conditions de dépôt permettant d’obtenir des propriétés magnétiques optimales dans des structures simples Au/Co/Au et des bicouches (Co/Au)2 réalisées par électrochimie sur une couche Au(111)/Si(111), elle-même électrodéposée sur une surface vicinale hydrogénée Si(111). Les caractérisations par XRD montrent que la couche d’or est texturée (111) et en épitaxie avec le silicium. Les grains d’or présentent deux orientations symétriques de leur réseau cristallin, dans des proportions variables suivant les conditions de dépôt. Les observations par AFM des couches d’or, montrent une variété de morphologie (3D à 2D) en fonction du potentiel appliqué. Un mécanisme de croissance est proposé. Dans les conditions optimales de dépôt, la couche d’or mince est continue et plane à l’échelle atomique. Les couches simples et bicouches (Co/Au) sont réalisées selon une technique mise au point au laboratoire, évitant un co-dépôt AuCo et l’oxydation du Co. Après optimisation des potentiels de dépôt, les études par XRD et AFM montrent que les films ultraminces (4-10 MC) Co(0001)/Au(111) et Au(111)/Co(0001) sont continus et en épitaxie. Les mécanismes de croissance sont discutés. Les caractérisations magnétiques (cycles et microscopie Kerr) montrent une forte anisotropie perpendiculaire de l’aimantation pour une épaisseur tCo<10 MC et une bonne uniformité de l’aimantation. L’étude MOKE résolue en profondeur montre que les couches de cobalt, incorporées dans une bicouche, conservent une anisotropie perpendiculaire et sont fortement couplées magnétiquement. Ces résultats sont discutés et comparés à ceux obtenus sur des dépôts par voie physique
This thesis reports novel results on the optimal electrochemical growth conditions for single Au/Co/Au layers and and (Co/Au)2 bilayers on Au(111) surfaces, themselves electrodeposited on vicinal hydrogen-terminated vicinal Si(111) surfaces. The X-ray diffraction characterization (XRD) of the gold layer shows that it is textured (111) in epitaxy with the silicon surface. The gold islands have two mirror symmetric lattice orientations, whose proportions depend on the growth conditions. The atomic force microscopy (AFM) observations of the gold layer reveal morphologies from 3D to 2D, depending upon the applied potential during growth. A growth mechanism is proposed. With the optimal growth conditions, thin continuous and atomically flat gold layer is obtained. Single Co layers and (Co/Au)2 bilayers are fabricated using a new perfected technique, which prevents the co-deposition of AuCo and the oxidation of the cobalt. Once the optimal growth potentials are established, XRD and AFM studies show that the ultra thin films (4-10 monolayers) Co(0001)/Au(111) and Au(111)/Co(0001) are continuous and in epitaxy. The growth mechanisms are discussed. The magnetic characterization by Kerr hysteresis loops and microscopy, show a high perpendicular anisotropy for a cobalt thickness lower than 10 monolayers and a good uniformity of the magnetic properties. In-depth sensitive magneto-optical Kerr effect studies show that the cobalt layers in the bilayer stack maintain a perpendicular anisotropy and are strongly magnetically coupled. These results are discussed and compared with those achieved on single and bilayer samples obtained using physical deposition techniques

Les premiers stades de la croissance du NiO/Cu(111) ont été caractérisés du point de vue chimique, morphologique et structurale à une échelle microscopique. Pour cela, nous avons utilisé différentes méthodes d'élaboration et combiné différentes techniques de laboratoire in situ ainsi que le rayonnement synchrotron. Les bicouches à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) ont aussi été étudiées. L'interface Ni/Cu(111) a été étudié en mettant en évidence les liens entre la morphologie, la structure et les propriétés magnétiques. Les valeurs réduites du moment de spin sont reliées à l'hybridation 3d à l'interface Ni-Cu et au recouvrement de Cu. Dans toute la gamme des épaisseurs étudiées l'anisotropie du moment orbital est dans le plan, déterminant l'orientation de l'axe de facile aimantation. Cette axe peut être reliée à la tétragonalisation du réseau cristallin du Ni. Des couches ultraminces de NiO ont été obtenues par évaporation à partir de pépites de NiO à température ambiante ainsi qu'à 250°C. Les couches minces peuvent être décrite par une bicouche NiO/Ni/Cu(111). Le GISAXS permettent de confirmer les observations STM et de mettre en évidence l'auto-organisation des îlots de NiO. Due à la faible efficacité d'oxydation, les couches minces de NiO déposées à partir du Ni métallique sous oxygène, présentent quelques différences par rapport aux couches déposées à partir des pépites. Le mécanisme de formation des îlots proposé est basé sur un processus de nucléation/agrégation de clusters. Les résultats structurales (LEED et GIXD) peuvent être attribués soit à la formation d'une phase hexagonale alpha-Ni2O3, soit à une distorsion structurale de la maille NiO(111)(sqrt(3)xsqrt(3))R30°. Le système à couplage d'échange NiO/FeNi/Cu(111) a été élaboré en utilisant les deux méthodes d'élaboration du NiO. L'interface NiO/FeNi est très abrupte, présentant une texturation suivant les axes cristallographiques. Les analyses structurales montrent une bonne épitaxie du NiO sur les films d'alliage FeNi.

Cette thèse présente l'étude expérimentale et théorique des propriétés magétiques de films ultraminces de cobalt épitaxiés sur substrats d'or polycristallins. Les mesures des cycles d'hystérésis confirment la présence (précédemment observée par résonance ferromagnétique) d'une forte anisotropie d'interface s'opposant au champ démagnétisant, et donnant lieu, pour des épaisseurs de cobalt inférieures à 6 plans atomiques, à un basculement de l'axe de facile aimantation perpendiculairement au plan de la couche. J'ai également mis en évidence deux phénomènes nouveaux: à basse température, le champ coercitif augmente considérablement aux faibles épaisseurs; à température ambiante, il existe un traînage important de l'aimantation. J'ai interprété ces phénomènes à l'aide d'un modèle de mouvement de parois de Bloch, montrant le rôle prépondérant joué par la rugosité interfaciale. J'ai étudié théoriquement, par des calculs de structure électronique dans l'approximation des liaisons fortes, l'anisotropie magnétique de films monoatomiques de fer, cobalt et nickel. Ces calculs contribuent à une compréhension meilleure de ce phénomène. Par ailleurs, l'étude du moment magnétique orbital m'a permis de prédire un effet original dans ces films ultraminces: une anisotropie du moment magnétique d'environ 0,1 magnéton de Bohr, très supérieure à celle des matériaux massifs. Enfin, j'ai étudié, à l'aide de modèles phénoménologiques, l'effets des imperfections (rugosité, déformations interfaciales) sur l'anisotropie magnétique.

L'objectif de cette these etait l'elaboration, l'etude et la modelisation des processus de renversement de l'aimantation dans un systeme modele : des plots submicroniques ultraminces epitaxies a aimantation planaire. Nous avons montre en depot laser pulse (dlp) par analyse rheed et afm que le procede habituel de depot a t<800c des couches tampons de w et mo sur al#2o#3 induisait une rugosite importante. Nous proposons un nouveau procede fonde sur un depot a 200c, un recuit a 800c et une poursuite de depot a 800c, qui permet l'obtention de couches monocristallines de mo(110) dont la surface est composee de larges terrasses atomiques, permettant par consequent la croissance de couches de fer(110) de haute qualite. L'utilisation des techniques de lithographie x et de gravure seche ont ensuite permis de realiser des reseaux de dizaines de millions de plots (particules) identiques, de dimensions laterales de 200nm a 500nm. Pour les reseaux etudies les interaction dipolaires entre particules peuvent etre negligees. L'analyse magnetique des couches continues a montre que le systeme mo/fe(110) (peu etudie jusqu'alors) presente une anisotropie d'interface planaire qui favorise l'axe 001 au detriment de $$110, DE MEME INTENSITE MAIS DE SIGNE OPPOSE A CELLE DE W/FE(110), ET QUI PERMET D'ATTEINDRE DES CHAMPS D'ANISOTROPIE SUPERIEURS A 0. 5T AUX FAIBLES EPAISSEURS DE FE. AU DESSUS DE 10MC (MONOCOUCHES) LE RETOURNEMENT S'EFFECTUE A CHAMP FAIBLE PAR NUCLEATION SUR UN DEFAUT ISOLE PUIS PAR PROPAGATION LIBRE ET IMMEDIATE D'UNE PAROI. AU DESSOUS DE 5MC LES PAROIS SONT PIEGEES DU FAIT DES FLUCTUATIONS SPATIALES DISCRETES DE L'EPAISSEUR DE LA COUCHE DE FER. LA GRAVURE EN PARTICULES EMPECHE LE BALAYAGE DES PAROIS ET INDUIT UNE TRES FORTE AUGMENTATION DE COERCITIVITE, QUI EST D'AUTANT PLUS IMPORTANTE QUE L'EPAISSEUR EST FAIBLE (DU FAIT DE LA DIMINUTION DES CHAMPS DEMAGNETISANTS INTERNES AUX PARTICULES), JUSQU'A ATTEINDRE H#C = 0. 73H#A POUR E = 1NM. LE COMPORTEMENT HC() MESURE EST TRES PROCHE DE LA LOI DE STONER-WOHLFARTH, BIEN QUE LE RETOURNEMENT NE SOIT PAS COHERENT PUISQUE LE VOLUME DE NUCLEATION (DETERMINE PAR HC(T) ET TRAINAGE) NE REPRESENTE QUE 1% DU VOLUME D'UNE PARTICULE. DES MESURES DE PARTICULES INDIVIDUELLES PAR MICROSQUID CONFIRMENT QUE LES PARTICULES SONT ESSENTIELLEMENT UNIFORMEMENT AIMANTEES, ET MONTRENT EGALEMENT QUE LA DISTRIBUTION DES CHAMPS DE RETOURNEMENT D'UNE PARTICULE UNIQUE EST FAIBLE. NOUS PROPOSONS UNE METHODE POUR EVALUER LE CYCLE D'HYSTERESIS MOYEN D'UNE PARTICULE UNIQUE A PARTIR DE LA MESURE MACROSCOPIQUE DU CYCLE D'HYSTERESIS ET DE LA SUSCEPTIBILITE REVERSIBLE DU RESEAU. NOUS AVONS EGALEMENT DEVELOPPE UN MODELE MICROMAGNETIQUE DE RETOURNEMENT DE L'AIMANTATION SPECIFIQUE AUX PARTICULES ULTRAMINCES A AIMANTATION PLANAIRE, ET QUI PREDIT, EN FONCTION DE L'EPAISSEUR DU PLOT, LA REDUCTION DE CHAMP COERCITIF HC PAR RAPPORT AU CHAMP D'ANISOTROPIE, C'EST A DIRE PAR RAPPORT AU CHAMP DE RETOURNEMENT COHERENT. DES SIMULATIONS NUMERIQUES ONT MONTRE D'UNE PART LA PERTINENCE DU MODELE, D'AUTRE PART QU'AU DELA D'UNE TAILLE LATERALE DE L'ORDRE DE 50 A 100NM LA TAILLE LATERALE DU PLOT N'INFLUENCE PLUS LA VALEUR DE LA COERCITIVITE, QUI EST ALORS DETERMINEE UNIQUEMENT PAR L'EPAISSEUR DU PLOT. L'ACCORD EST RELATIVEMENT BON ENTRE MODELE ET SIMULATION D'UNE PART, EXPERIENCE D'AUTRE PART, MEME SI LA COERCITIVITE CALCULEE EST TOUJOURS PLUS ELEVEE QUE CELLE OBSERVEE.