L'électronique organique est un domaine de recherche récent en pleine expansion. La plupart des composants de l'électronique classique trouvent à ce jour un équivalent utilisant des matériaux semi-conducteurs organiques (OSCs) : diodes électroluminescents organiques (OLEDs), transistors à effet de champ organiques (OFETs) ou encore cellules photovoltaïques organiques (OPVs). Depuis la réalisation des premières vannes de spin organiques en 2002 et 2004, le domaine de la spintronique organique connaît un certain essor. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, avec pour objectif de fabriquer des vannes de spin organiques et de les étudier afin de mieux comprendre les mécanismes d'injection et de transport de spin dans les OSCs. Les jonctions réalisées sont constituées de deux électrodes ferromagnétiques, dont la polarisation en spin se conserve audelà de la température ambiante, entre lesquelles un film mince de 50 à 200 nm d'un matériau OSC est pris en sandwich. Au cours de cette thèse, plusieurs molécules ont été étudiées, au regard de leurs différentes propriétés électroniques : le tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3), le tétraéthyl pérylène 3, 4, 9, 10- tétracarboxylate (PTCTE) et le benzofurane bithiophène (BF3). Des études morphologiques et structurales ont été réalisées afin de contrôler la qualité des interfaces métal/OSC. Des mesures VSM (Vibrating Sample Magnetometer) ont permis de s'assurer du comportement vanne de spin de nos échantillons de 10 K à 300 K. Enfin, des mesures de transport avec ou sans champ magnétique ont été réalisées en fonction de la température. Elles ont permis de mettre en évidence la limitation du courant par les charges d'espace en présence de pièges profonds, avec une conduction par sauts de type Various Range Hopping de Mott. Des méthodes alternatives de fabrication de l'électrode supérieure ont été comparées afin d'améliorer la stabilité des composants réalisés. Pour finir, 3 % de magnétorésistance ont été obtenus à 5 K pour le PTCTE et à 40 K pour le BF3, suggérant que ces matériaux sont de bons candidats pour le transport polarisé en spin.

Thesis (Ph.D.)--University of Nebraska-Lincoln, 2009. / Title from title screen (site viewed June 26, 2009). PDF text: xxvii, 209 p. : ill. (some col.) ; 17 Mb. UMI publication number: AAT 3350440. Includes bibliographical references. Also available in microfilm and microfiche formats.

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés optiques de boites quantiques anisotropes de (Cd,Mn)Te insérées dans des nanofils de ZnTe. Les boites quantiques étudiées contenant 10% de Mn sont allongées suivant l’axe du fil ce qui tend à favoriser un état fondamental à trou léger ayant une susceptibilité de spin perpendiculaire à l’axe du fil. L’objectif principal de la thèse est l’étude de la formation du Polaron Magnétique dans ces boites et la détermination de leur anisotropie magnétique.Nous avons étudié en premier les propriétés optiques de nanofils de ZnTe et de nanofils coeurs-coquilles ZnTe/(Zn,Mg)Te. Ces études nous ont amené à modéliser les contraintes élastiques dans le cœur, dans la coquille et dans des boites allongées insérées dans les nanofils. Ce modèle nous a permis d’estimer les splittings entre les niveaux de trou lourd et de trou léger dans la boite et dans le fil.Nous avons étudié ensuite des nanofils contenant des boites magnétiques et non magnétiques par spectroscopie magnéto-optique. Dans les boites magnétiques, les interactions d’exchange entre les porteurs localisés et les spins de Mn induisent un très fort décalage Zeeman de la raie excitonique (Effet Zeeman Géant). Pour extraire des paramètres quantitatifs, nous avons combiné différentes techniques expérimentales sur le même nanofil (photo et cathodoluminescence, analyse dispersive en énergie du rayonnement X). Nous avons utilisé différentes orientations du champ magnétique pour déterminer l’anisotropie du trou dans la boite. Les valeurs expérimentales sont plus petites que les valeurs théoriques ce qui suggère un mauvais confinement du trou dans la boite.Afin d’obtenir un meilleur confinement du trou, nous avons étudié des boites de (Cd,Mn)Te entourées d’une coquille de (Zn,Mg)Te. Grace au meilleur confinement du trou, nous avons réussi à observer la formation du Polaron Magnétique excitonique. Des mesures de photoluminescence résolues en temps sur des nanofils uniques nous ont permis d’extraire l’énergie et le temps de formation du Polaron Magnétique entre 5K et 50K. La raie d’émission des boites présente un effet Zeeman géant inhabituel caractéristique d’un Polaron Magnétique à trou léger. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la formation du Polaron Magnétique excitonique dans les boites quantiques. Ce model, basé sur l’énergie libre et valable pour des températures et des champs magnétiques arbitraires, a été utilisé pour rendre compte de l’ensemble des données expérimentales. Ce modèle a permis de déterminer les paramètres caractéristiques du polaron magnétique à trou léger (énergie, orientation and amplitude du moment magnétique, volume d’échange, anisotropie du trou). / In this PhD work we study the optical properties of anisotropic (Cd,Mn)Te magnetic quantum dots inserted in ZnTe nanowires. The quantum dots containing typically 10% of Mn spins are elongated along the nanowire axis which tend to stabilize a light hole ground state with a spin susceptibility perpendicular to the nanowire axis. The main goal was to study the formation of exciton Magnetic Polarons in such quantum dots and to determine their magnetic anisotropy.We investigate first the optical properties of ZnTe and ZnTe/(Zn,Mg)Te core shell nanowires. We model the elastic strain profile in core-shell nanowires and in elongated quantum dots. From the strain profiles, we estimate the value of the light hole heavy hole splitting expected in the dot and in the nanowire.In a second step we study single nanowires containing magnetic and non magnetic quantum dots by magneto-optical spectroscopy. The exchange interactions between confined carriers and Mn spins induce a large Zeeman shift of the exciton line (Giant Zeeman Effect). To extract quantitative parameters, we combine different experimental techniques (photo and cathodoluminescence, energy dispersive X ray spectroscopy) on the same nanowire. We use also different magnetic field orientations in order to determine the hole anisotropy in the dot. The experimental values are smaller than the theoretical ones suggesting a weak confinement of the holes in the dot due to a small (Cd,Mn)Te/ZnTe valence band offset.In a third step we study nanowires containing (Cd,Mn)Te quantum dots surrounded by a (Zn,Mg)Te alloy. Thanks to the better hole confinement induced by the (Zn,Mg)Te alloy, the formation of exciton magnetic polarons can be observed. We perform time resolved photoluminescence studies on single nanowires in order to determine the energy and the formation time of magnetic polarons from 5K to 50K. The quantum dot emission line shows an unusual Zeeman shift, characteristic of a light hole magnetic polaron. We develop a theoretical model describing the formation of exciton magnetic polaron in quantum dots. We use this model, based on the free energy and valid for any temperature and magnetic field, to fit the whole set of experimental data. It allows us to determine the characteristic parameters of the light hole magnetic polarons (energy, orientation and magnitude of the magnetic moment, exchange volume, hole anisotropy).

Pour des applications technologiques d’enregistrement magnétique de l’information à haute densité et vitesse d’écriture et de lecture ultra-rapide, les chercheurs se sont penchés vers des méthodes de manipulation de l’aimantation sans application de champ magnétique externe. Il a été découvert qu’il était possible de renverser de manière déterministe l’aimantation de plusieurs matériaux ferri- et ferro-magnétiques à l’aide uniquement d’impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Ce retournement tout-optique s’est avéré être un processus cumulatif nécessitant plusieurs impulsions ultracourtes dans les matériaux ferromagnétiques. Notamment dans les multicouches (Co/Pt), le retournement tout-optique se fait en deux étapes : une désaimantation indépendamment de l’hélicité suivie d’une ré-aimantation dans une direction ou l’autre selon l’hélicité. Pour autant, le mécanisme à l’origine du rétablissement de l’ordre magnétique n’a pas été étudié jusqu’à présent. Dans cette thèse, nous avons étudié le mécanisme de renversement de l’aimantation dans les couches ferromagnétiques résultant de l’excitation par impulsions laser ultracourtes polarisées circulairement. Pour cela, nous étions intéressé par la réponse d’une paroi de domaine dans les couches minces de Pt/Co/Pt à la suite d’une excitation laser et en fonction de la polarisation de la lumière. Nous avons démontré la possibilité d’induire un déplacement tout-optique et déterministe d’une paroi de domaine. Nous montrons que la propagation de la paroi résulte de la compétition entre trois contributions : le gradient de température dû aux effets de chauffage par le laser, l’effet de l’hélicité de la lumière et les effets de piégeages de la paroi. Par ailleurs, par mesures expérimentales du dichroïsme circulaire, nous excluons un mécanisme purement thermique du déplacement de paroi. Ainsi nous confirmons que le retournement tout-optique des couches ferromagnétiques se fait par une nucléation suivie d’une ré-aimantation par propagation déterministe des parois de domaines selon l’hélicité. De plus, nous avons exploré la possibilité d’utiliser le retournement tout-optique dans des dispositifs spintroniques pour l’enregistrement de l’information à haute densité. Pour se faire, il est nécessaire d’étudier les effets de tailles du retournement lorsque le matériau est structuré en îlots à l’échelle du micro- ou nanomètre. Nous avons montré qu’un plus grand nombre d’impulsions laser est nécessaire afin de renverser l’aimantation de micro-disques comparés à la couche continue ferromagnétique. Il en résulte que le champ dipolaire aide le renversement de l’aimantation dans les couches continues rendant ainsi le retournement tout-optique énergétiquement plus favorable / Over the past decade, the demand for an even higher capacity to store data has been gradually increasing. To achieve ultrafast and ultrahigh density magnetic data storage, low-power methods to manipulate the magnetization without applying an external magnetic field has attracted growing attention. The possibility to deterministically reverse the magnetization with only circularly polarized light was evidenced in multiple ferri- and ferro-magnetic materials. This phenomenon was called helicity-dependent all-optical switching (HD-AOS). In ferromagnets, it was demonstrated that HD-AOS was a cumulative and multishot process with a helicity-independent demagnetization followed by a helicity-dependent magnetization recovery. Yet, the microscopic mechanism of this helicity-dependent remagnetization remained highly debated. In this thesis, we investigated the magnetization reversal mechanism of all-optical switching in ferromagnetic materials. To explore a potential switching process through domain nucleation and domain wall (DW) propagation, we studied the response of a DW upon femto- or pico-second laser irradiation in Co/Pt thin films that exhibit HD-AOS. We reported helicity-dependent all-optical domain wall motion. We demonstrated that it results from the balance of three contributions: the temperature gradient due to the laser heating, the helicity effect and the pinning effects. By measuring the magnetic circular dichroism, a purely thermal mechanism of the laser-induced DW motion appears to be excluded. Furthermore, we examined the size effects in AOS in Co/Pt films patterned into microdots with a diameter between 10 and 3 μm. This allowed us to explore the role of the dipolar field in the switching mechanism. We discovered that a larger number of laser pulses was required to reverse the magnetization of a microdot compared to the continuous film. This indicated that the dipolar field actually eases the magnetization reversal in the full film. Thus, AOS is less energy-efficient in patterned films, hence making Pt/Co/Pt multilayers not an ideal candidate for integrating AOS in spintronic devices

Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs nanométriques (~100nm) prometteurs pour les applications radiofréquence. Ils reposent sur la précession de l'aimantation d'une couche magnétique mince induite par transfert de spin (STT). Un dispositif STO basé sur jonction tunnel magnétique (MTJ) fournira typiquement un signal électrique de l'ordre d'une dizaine de GHz et d'une puissance de plusieurs nW. Comparés aux oscillateurs contrôlés en tension (VCO) utilisés actuellement pour la génération de microondes, les STO ont l'avantage d'être hautement accordables en fréquence. Malgré cela, les critères requis en termes de qualité de signal ne sont pas encore remplis par les STO pour être compétitifs.Deux approches existent pour améliorer la qualité du signal de sortie : (i) optimisation de l'empilement magnétique d'un dispositif STO unique et (ii) synchronisation de plusieurs STOs. C'est la deuxième approche qui a été retenue dans le cadre de cette thèse : ici nous nous intéressons à la synchronisation électrique d'un STO à une source de courant RF stabilisée, dit « injection-locking ». Le cas d'un STO à aimantation homogène, de type précession dans le plan (IPP) est étudié.En particulier, la synchronisation d'un STO à 2f, c'est-à-dire lorsque la fréquence du courant injecté est proche du double de la fréquence de génération du STO, est favorisée par rapport à la synchronisation à f. Les résultats expérimentaux obtenus par plusieurs groupes montrent à la fois une gamme de synchronisation et une réduction de largeur de raie plus prononcées à 2f qu'à f.Ce comportement singulier est examiné dans un premier temps par une étude analytique de la dynamique de l'aimantation couplée aux simulations numériques macrospin dans le but d'identifier les mécanismes de synchronisation qui prennent effet au sein du système.En effet, les modèles actuels (formalisme auto-oscillateur KTS) décrivent la synchronisation d'un STO à un courant RF sans faire de distinction entre la synchronisation à f et 2f, et les prédictions qui en découlent s'avèrent être insuffisantes pour la synchronisation à 2f. Pour combler à cela, nous mettons en évidence par extension du formalisme existant les clés du processus de synchronisation à 2f : l'ajustement de fréquence par ajustement de l'amplitude d'oscillation via la non-linéarité, ainsi que la modification du terme d'anti-damping se faisant par l'intermédiaire de la différence de phase.La caractérisation expérimentale du régime synchronisé pour un STO basé sur jonction tunnel magnétique est également détaillée dans le manuscrit. Grâce aux techniques de mesures en domaine temporel et fréquentiel développées spécialement, les grandeurs caractéristiques (gamme de synchronisation et différence de phase) du système sont extraites et comparées aux prédictions théoriques. Enfin, les effets de l'injection du courant RF sur la cohérence du signal de sortie sont discutés. / Spin transfer oscillators (STOs) are promising nanometer scaled oscillators (~100nm) for radiofrequency applications. They rely on the steady precession of the magnetization of a thin magnetic layer induced by spin-transfer torque (STT). A STO device based on a magnetic tunnel junction (MTJ) will typically generate an electrical signal with a frequency of the order of ten GHz and an output power of several nW. Compared to voltage controlled oscillators (VCO) used today for microwave generation, STOs have the advantage of having an important frequency tunability with current. However, criteria in terms of the quality of the output signal are not yet fulfilled for STO to be competitive.To enhance the STO signal properties, two suggestions are proposed: (i) optimization of the magnetic stack within a single STO device and (ii) synchronization of several STOs. The second approach was examined during this thesis: here we look at the electrical synchronization of a STO to a stabilized RF current source, or “injection-locking”. The case of a STO with homogenous magnetization of in-plane precession (IPP) type is investigated.Interestingly, synchronization of a STO at 2f, i.e. when the frequency of the injected current is close to twice the generation frequency of the STO, is favored compared to synchronization at f. The experimental results from several groups have shown both enhanced synchronization range and a more pronounced linewidth reduction at 2f.This singular behavior is examined first through an analytical study of magnetization dynamics along with numerical macrospin simulations, in order to identify synchronization mechanisms taking effect in the system.Indeed, current models (in particular the KTS auto-oscillator formalism) describe synchronization of a STO with making a clear distinction between synchronization at f and 2f, and the resulting predictions turn out to be insufficient at 2f. Here, by extension of the KTS formalism, the keys to the synchronization process at 2f are presented: frequency adjustment by adjustment of the oscillation amplitude via the STO non-linearity and modification of the anti-damping term through the phase-difference.The experimental characterization of the synchronized regime in a MTJ-based STO is also detailed in the manuscript. Utilizing experimental signal processing techniques in both frequency and temporal domain, we extract characteristic quantities for synchronization such as the locking-range and the phase-difference, and we compare these quantities with the analytical predictions. Finally, the effects of current injection on the coherence of the output signal are also discussed.

[pt] Investigamos as propriedades de transporte de spin polarizado através de um ponto quântico conectado a dois terminais. A corrente elétrica que circula em nosso sistema pode ter sua polarização modulada através de um potencial de porta que controla o acoplamento spin-órbita (efeito Rashba). Nós estudamos o efeito de polarização do spin em um transistor constituído por um ponto quântico em que suas energias podem ser controladas através de um outro potencial de porta que opera apenas na região de confinamento. O alto grau de confinamento e correlação entre as cargas dão origem a fenômenos físicos interessantes que descreveremos neste trabalho. Nós demonstramos que através da manipulação de um potencial externo é possível controlar de uma maneira extremamente eficiente a intensidade e a polarização da corrente através do sistema. Outro parâmetro importante que iremos manipular para uma compreensão detalhada do sistema é o campo elétrico externo. Na segunda parte deste trabalho estudamos a evolução temporal da função de onda, suposta inicialmente como um pacote de onda circulando nosso sistema composto por um ponto quântico. Podemos comprovar efeitos de tunelamento ressonante e efeitos de interferência de nosso pacote inicial ao longo do tempo e, além disso, estudamos também efeitos de interação spin- órbita na polarização de nosso pacote de onda. / [en] We investigated spin polarized transport properties through a quantum dot connected with two terminals. An electric current that circulates in our system can have its polarization modulated with an external potential that controls the spin orbit coupling (Rashba effect). We studied the effect of spin polarization n a transistor constituted by a quantum dot where its energies can be controlled with a gate potential that operates only in the confinement region. The high confinement and correlation between the charges give rises to interesting phenomena that we describe in this work. We demonstrate that tuning an external potential it is possible to control with a extremely efficient precision the intensity and the polarization of the current through this system. Another important parameter that we used to better understand this system was the external electric field. In the second part of this work, we studied the time evolution of a wave function supposed to be initially a wave package circulating our system composed by a quantum dot. We can prove resonant tunneling effects and interference effects in such a wave package as time goes by and we also studied spin orbit interaction effects on the polarization of the carrier.

La richesse de la physique sous-jacente au déplacement de parois magnétiques suscite actuellement un fort intérêt, réhaussé par les possibilités d'applications dans les mémoires magnétiques.Les nanobandes fabriquées par lithographie constituent la quasi-totalité des systèmes dans lesquels les parois sont étudiées.Une géométrie cylindrique implique cependant des structures et dynamiques de parois qui se démarqueraient de celles observées dans les nanobandes et résoudraient notamment les limitations des vitesses de propagation observées.Leur procédé d'élaboration, fabrication d'une membrane nanoporeuse et remplissage électrolytique des pores, permet d'obtenir des fils auto-organisés en réseau, de grand rapport d'aspect et de faible distribution en diamètre.Malgré leur intérêt indéniable, peu d'études ont été consacrées aux parois dans ces systèmes cylindriques.Cette thèse se propose donc de contribuer au sujet.Une partie de cette thèse a été consacrée à la mise en place et au développement de certaines étapes du procédé de fabrication : réduction de la porosité des membranes, modulation du diamètre des pores, dépôt électrolytique d'un alliage magnétique.Ces ajustements de la géométrie et de la structure des fils ont permis d'étudier plusieurs aspects des parois dans les nanofils.Dans un premier temps, une méthode expérimentale a été proposée pour réduire les interactions magnétostatiques qui gêneraient la propagation des parois dans les réseaux denses de fils.Son efficacité a été démontrée sur le mécanisme de nucléation des parois qui intervient en bout de fil lors du renversement de l'aimantation, en mesurant les cycles d'hystérésis des réseaux de fils.D'autres mécanismes de piégeage ont ensuite été mis en évidence par l'analyse de courbes de première aimantation mesurées suite à la nucléation contrôlée de parois.Les champs de propagation de l'ordre de quelques milliteslas, mesurés par microscopie à force magnétique sur des fils individuels, ouvrent cependant la voie aux études dynamiques dans ces systèmes.Enfin, l'observation de la structure interne des parois par dichroïsme circulaire magnétique de rayons X en microscopie de photoémission d'électrons (PEEM-XMCD) a permis de mettre en évidence les deux types de parois prédits par la théorie et les simulations, pour lesquels des mobilités très différentes sont attendues. / The underlying physics of magnetic domain wall motion is currently arousing a strong interest, enhanced by the possibilities of applications into magnetic memories.Domain walls are mostly studied in nanostripes made by lithography.Nevertheless, a cylindrical geometry would involve domain walls with different structures and dynamical behaviors that could resolve issues, such as the speed limitation observed in nanostripes.Their elaboration process, via the fabrication of nanoporous template followed by the electrolytic filling of the pores, leads to self-organized nanowires with high aspect ratio and weak distribution in diameter.In spite of their undeniable interest, for now only very few domain walls studies have been conducted on such cylindrical systems.This thesis hence intends to contribute to the subject.Part of the thesis have been devoted to the setting and development of some steps of the fabrication process : reduction of membrane porosity, modulation of the pore diameter, electrodeposition of a magnetic alloy.These geometrical and structural adjustments of the nanowires have been used to study several facets of domain walls in nanowires.In the first place, an experimental way to reduce the magnetostatic interactions that could disturb domain wall propagation in dense arrays of nanowires have been proposed.Its efficency have been demonstrated through array hysteresis cycles, on the domain wall nucleation that occurs at nanowires extremities during magnetization reversal.Others pinning mechanisms have then been evidenced by analyzing initial magnetization curves measured after a controlled nucleation of domain walls.However, the observation of propagation fields of a few milliteslas by magnetic force microscopy (MFM) on individual nanowires opens the way to dynamical studies on such systems.At last, the observation of domain wall internal structure by X-ray magnetic circular dichroism in photoemission electron microscopy (XMCD-PEEM) evidenced the two types of domain walls theoretically and numerically predicted, for which very different mobilities are expected.

Les mémoires magnétiques à couple de transfert de spin (STTRAM) sont des mémoires vives non-volatiles et endurantes très prometteuses pour remplacer les mémoires à base de condensateurs. Cependant, pour les technologies actuelles de STTRAM à aimantation planaire ou hors-du-plan, le temps de commutation est limité à 10~ns car le processus de renversement de l'aimantation est stochastique, déclenché par les fluctuations thermiques. Dans l'optique de rendre la commutation déterministe et plus rapide, une approche consiste à ajouter à la jonction tunnel magnétique une autre couche polarisante en spin, avec une aimantation orthogonale à celle de la couche de référence. Nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux jonctions tunnels magnétiques planaires avec un polariseur perpendiculaire (à aimantation hors du plan). Le STT du polariseur perpendiculaire amorce le retournement d'aimantation, mais il provoque aussi des oscillations de la résistance de la jonction entre ses valeurs extrêmes. Cette particularité est mise à profit pour la réalisation de nano-oscillateurs (STO). Dans cette thèse, la dynamique d'aimantation du système comprenant une couche libre planaire, une couche de référence planaire et un polariseur perpendiculaire est étudiée, aussi bien expérimentalement que théoriquement (analytiquement et en simulations), dans l'approximation de macrospin. Dans le cas d'une couche libre oscillante sous l'action du STT du polariseur perpendiculaire, une description précise de ces oscillations est présentée, dans laquelle le champ d'anisotropie, le champ appliqué et le STT de la couche de référence planaire sont traités en perturbations. Dans le cas d'une couche libre ferrimagnétique synthétique (SyF), les expressions analytiques des courants critiques et des équations du mouvement sont calculées et comparées aux simulations. Ces résultats sont ensuite utilisés pour réaliser le diagramme de phase du système complet. L'anisotropie uniaxiale joue un role important, ce qui est confirmé par des mesures de retournement en temps réel réalisées sur des échantillons de nano-piliers à base de MgO. L'influence relative des STT provenant de la couche de référence et du polariseur perpendiculaire peut être ajsutée en jouant sur le rapport d'aspect des cellules, ce qui permet d'obtenir un retournement controlé en moins d'une nanoseconde avec une STTRAM. / Spin-transfer torque magnetic random-access memory (STTRAM) are very promising non-volatile and enduring memories to replace charged-based RAM. However, in conventional in-plane or out-of-plane STTRAM technologies, the switching time is limited to about 10~ns because the reversal process is stochastic i.e. it is triggered by thermal fluctuations. In order to render the reversal deterministic and faster, an approach consists in adding to the magnetic tunnel junction (MTJ) stack another spin-polarizing layer whose magnetization is orthogonal to that of the MTJ reference layer. We particularly investigated the case where a perpendicular polarizer is added to an in-plane magnetized tunnel junction. The STT from the perpendicular polarizer initiates the reversal, but it also creates oscillations of the resistance between its two extremal values. This behavior is usually interesting to realize STT nano-oscillators (STO). In this thesis, the dynamics of the system comprising an in-plane free layer, an in-plane reference layer and a perpendicular polarizer is studied both experimentally and theoretically (analytically and by simulations) in the framework of the macrospin approximation. For a single layer free layer oscillating due to the STT of the perpendicular polarizer, an accurate description of the oscillations is presented, in which the anisotropy field, the applied field and the in-plane STT are treated as perturbations. In the particular case of a synthetic ferrimagnetic (SyF) free layer, analytical expressions of the critical currents and of the oscillations equation of motion are computed and compared to simulations. These results are used to determine the phase diagram of the complete system. The in-plane anisotropy field is found to play a dramatic role, which is confirmed by experimental data from real-time measurements on MgO-based nano-pillars. It is shown that the cell aspect ratio can be used to tune the relative influence of the STT from the in-plane reference layer and from the out-of-plane polarizer. This allows achieving well controlled sub-nanosecond switching in STTRAM.

J'ai étudié les interfaces semi-conducteur organiques/ferromagnétique par la diffusion des électrons et la photoémission résolue en spin. Dans la première partie, un comportement inattendu de la réflexion d'électrons dépendante de spin à ces interfaces est observé. En fait, une couverture sous-monocouche des molécules organiques rend l’amplitude de réflexion d’électrons indépendante de spin, c.à.d. que la réflectivité ainsi que la phase de réflexion devient indépendante de l'orientation du spin des électrons incidents. Bien que je ne sois pas en mesure d'identifier la cause de ce phénomène, je montre qu'il s'agit d'un phénomène très général qui est indépendante de l'énergie des électrons primaires, du choix du substrat ferromagnétique, du choix de la molécule organique, et de l'orientation de la polarisation initiale. Il n'est pas du à un changement de l’aimantation de surface, à une dépolarisation des électrons primaires, ou à une interaction directe des molécules avec le substrat ferromagnétique. En outre, la théorie ne prédit pas les résultats expérimentaux et d'autres recherches sont donc nécessaires pour dévoiler la physique derrière ces observations. Dans la seconde partie de ma thèse, les expériences de photoémission résolue en spin sont réalisées au synchrotron SOLEIL. Le résultat principal est l'observation d'un état électronique induite par les molécules organiques près du niveau de Fermi qui est hautement polarisé en spin. Des mesures en fonction de l’épaisseur de la couche organique permettent d’identifier le caractère interfacial de cet état électronique. Enfin, ces résultats sont comparés avec des calculs théoriques effectués à l'institut. / I studied organic semiconductor/ferromagnet interfaces by characterizing them by spin-polarized electron scattering and photoemission spectroscopy experiments. In the first part, a completely unexpected behaviour of the spin-dependent electron reflection properties of these interfaces is observed. In fact, sub-monolayer coverage of the organic molecules makes the electron reflection amplitude independent of the spin, i.e. both the reflectivity and the reflection phase become independent of the spin orientation of the incident electrons. Although I am not able at the moment to identify the cause of this phenomenon, I show that it is a very general phenomenon which is independent of the energy of the primary electrons, the choice of the ferromagnetic substrate, the choice of the organic molecule, and of the orientation of the initial spin polarization. It is not due to a change of the surface magnetization, a depolarization of the primary electrons, or a direct interaction of the molecules with the ferromagnetic substrate. Moreover, theory does not predict so far the experimental results and further research is required to unveil the physics behind these observations. In the second part of my thesis, spin-resolved photoemission experiments have been performed at the synchrotron SOLEIL. The main result is the observation of a highly spin-polarized molecule-induced electronic state close to the Fermi level. Measurements as a function of the organic layer thickness allow us to determine the interfacial character of this electronic state. Finally, these results are compared with theoretical calculations performed at the institute.

Since a decade, spintronics and related physics have attracted considerable attention due to the massive research conducted in these areas. The main reason for growing interest in these fields is the expectation to use the electrons spin instead of or in addition to the charge for the applications in spin-based electronics, quantum information, and quantum computation. A prime concern for these spins to be possible candidates for carrying information is the ability to coherently control them on the time scales much faster than the decoherence times. This thesis reports on the spin dynamics in two-dimensional electron gases hosted in artificially grown III-V semiconductor quantum wells. Here we present a series of experiments utilizing the techniques to optically control the spin polarization triggered by either optical or electrical methods i.e. well known pump-probe technique and current-induced spin polarization. We investigated the spin coherence in high mobility dense two-dimensional electron gas confined in GaAs/AlGaAs double and triple quantum wells, and, it\'s dephasing on the experimental parameters like applied magnetic field, optical power, pump-probe delay and excitation wavelength. We have also studied the large spin relaxation anisotropy and the influence of sample temperature on the long-lived spin coherence in triple quantum well structure. The anisotropy was studied as a function sample temperature, pump-probe delay time, and excitation power, where, the coherent spin dynamics was measured in a broad range of temperature from 5 K up to 250 K using time-resolved Kerr rotation and resonant spin amplification. Additionally, the influence of Al concentration on the spin dynamics of AlGaAs/AlAs QWs was studied. Where, the composition engineering in the studied structures allows tuning of the spin dephasing time and electron g-factor. Finally, we studied the macroscopic transverse drift of long current-induced spin coherence using non-local Kerr rotation measurements, based on the optical resonant amplification of the electrically-induced polarization. Significant spatial variation of the electron g-factor and the coherence times in the nanosecond scale transported away half-millimeter distances in a direction transverse to the applied electric field was observed. / Há uma década, a spintrônica e outras áreas relacionadas vêm atraindo considerável atenção, devido a enorme quantidade de pesquisa conduzidas por elas. A principal razão para o crescente interesse neste campo é a expectativa da aplicação do controle do spin do elétron no lugar ou em adição à carga, em dispositivos eletrônicos e informação e computação quânticas. A possibilidade destes spins carregarem informação depende, primeiramente, da habilidade de controlá-los coerentemente, em uma escala de tempo muito mais rápida do que o tempo de decoerência. Esta tese trata da dinâmica de spins em gases de elétrons bidimensionais, em poços quânticos de semicondutores III-V, crescidos artificialmente. Nós apresentamos uma série de experimentos, utilizando técnicas para o controle ótico da polarização de spin, desencadeadas por métodos óticos ou eletrônicos, ou seja, técnicas conhecidas de bombeio e prova e polarização de spin induzida por corrente. Nós investigamos a coerência de spin em gases bidimensionais, confinados em poços quânticos duplos e triplos de GaAs/AlGaAs e a dependência da defasagem com parâmetros experimentais, como campo magnético externo, potência ótica, tempo entre os pulsos de bombeio e prova e comprimento de onda da excitação. Também estudamos a grande anisotropia de relaxação de spin como função da temperatura da amostra, potência de excitação e defasagem entre bombeio e prova, medidos para uma vasta gama de temperatura, entre 5K e 250K, usando Rotação de Kerr com Resolução Temporal (TRKR) e Amplificação Ressonante de Spin (RSA). Além disso estudamos a influência da concentração de Al na dinâmica dos poços de AlGaAs/AlAs, para o qual a engenharia da composição da estrutura permite sintonizar o tempo de defasagem de spin e o fator $ g $ do elétron. Por fim, estudamos a deriva transversal macroscópica da longa coerência de spin induzida por corrente, através de medidas de Rotação de Kerr não-locais, baseadas na amplificação ressonante ótica da polarização eletricamente induzida. Observamos uma variação espacial significante do fator $ g $ e do tempo de vida da coerência, na escala de nanosegundos, deslocada distâncias de meio milímetro na direção transversa ao campo magnético aplicado.