Les phases alpha'-Fe8N1-x et alpha''-Fe16N2 ont un fort potentiel d’application, en raison de leur anisotropie magnétocristalline uniaxiale et de leur grande aimantation à saturation. Cependant, les valeurs annoncées pour ces propriétés magnétiques restent sujettes à discussion. Les recherches menées au cours de cette thèse de doctorat ont été initiées dans le but de clarifier cette situation. L’élaboration des échantillons a principalement consisté en l’implantation ionique d’azote dans des couches minces de fer alpha épitaxiées sur ZnSe/GaAs (001). Entre autres, les effets de la température de la cible et de la fluence sur la structure cristalline des échantillons ont été analysés par diffractométrie des rayons X. La présence d’une anisotropie magnétique perpendiculaire a été mise en évidence dans les couches minces contenant les phases alpha'-Fe8N1-x ou alpha''-Fe16N2. La constante d’anisotropie a été évaluée par magnétométrie à échantillon vibrant et résonance ferromagnétique. À l’occasion de ces recherches, des domaines en rubans faibles ont été observés par microscopie à force magnétique dans certaines couches minces en Fe-N. Ceux-ci sont particulièrement rectilignes et des dislocations coin se trouvent au sein de leur structure périodique. Des études ont alors été réalisées dans le but de contrôler avec précision la réorientation des domaines en rubans et le déplacement des dislocations magnétiques, à l’aide d’un champ magnétique. / The alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases have a high potential of application, because of their uniaxial magnetocrystalline anisotropy and their large saturation magnetization. However, the values announced for these magnetic properties remain a subject of discussion. The research conducted during this PhD thesis was initiated in order to clarify this situation. Sample making consisted mainly of nitrogen ion implantation into alpha-Fe thin films, epitaxially grown on ZnSe/GaAs (001). Among others, the effects of target temperature and fluence on the crystal structure of the samples were analyzed by X-ray diffractometry. The presence of a perpendicular magnetic anisotropy was demonstrated in the thin films containing the alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases. The anisotropy constant was evaluated by vibrating sample magnetometry and ferromagnetic resonance. In this research, weak stripe domains were observed by magnetic force microscopy in some Fe-N thin films. These are particularly straight and edge dislocations are found within their periodic structure. Studies were then carried out to precisely control the reorientation of the stripe domains and the displacement of the magnetic dislocations, using a magnetic field.

La miniaturisation du nœud technologique de CMOS en dessous de 90 nm conduit à une forte consommation statique pour les mémoires et les circuits logiques, due aux courants de fuite de plus en plus importants. La spintronique, une technologie émergente, est d’un grand intérêt pour remédier à ce problème grâce à sa non-volatilité, sa grande vitesse d’accès et son intégration facile avec les procédés CMOS. Comparé à la commutation induite par le champ magnétique, le transfert de spin (STT), une approche de commutation induite par le courant, non seulement simplifie le processus de commutation mais aussi permet un fonctionnement sans précédent en termes de consommation et de vitesse. Cette thèse est consacrée à la modélisation compacte et la conception de circuit hybride pour les dispositifs spintroniques basés sur la commutation induite par le courant. La jonction tunnel magnétique (JTM), élément fondamental de la mémoire magnétique (MRAM), et la mémoire racetrack, nouveau concept fondé sur la propagation des parois de domaine induites par le courant, sont particulièrement étudiés. Ces dispositifs et circuits spintroniques sont basés sur les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire (AMP) qui ouvrent la perspective d’une miniaturisation submicronique tout en conservant une grande stabilité thermique. De nombreux modèles physiques et paramètres réalistes sont intégrés dans la modélisation compacte pour obtenir une bonne cohérence avec les mesures expérimentales. En utilisant ces modèles compacts précis, certaines applications pour la logique et les mémoires magnétiques, tels que l’additionneur complet magnétique (ACM) et la mémoire adressable par contenu (CAM), sont conçues et simulées. Nous analysons et évaluons leur potentiel de performance en termes de surface, vitesse et consommation d’énergie par rapport aux circuits classiques. Enfin, afin de lutter contre la limitation de capacité entravant la large application, nous proposons deux optimisations de conception : la mémoire multivaluée (MLC) pour la STT-MRAM et l’assistance par champ magnétique pour la mémoire racetrack. Ce concept de MLC utilise le comportement stochastique des STT pour atteindre une haute vitesse tout en augmentant la densité de STT-MRAM. La mémoire racetrack assistée par champ magnétique est fondée sur l’observation d’une propagation des parois de domaine en dessous du courant critique, propagation est attribué à l’effet « Walker breakdown ». Ceci ouvre une nouvelle voie pour réduire le courant de propagation et augmenter la capacité des mémoires racetrack au-delà des améliorations des circuits périphériques et des matériaux. / The shrinking of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication node below 90 nm leads to high static power in memories and logic circuits due to the increasing leakage currents. Emerging spintronic technology is of great interest to overcome this issue thanks to its non-volatility, high access speed and easy integration with CMOS process. Spin transfer torque (STT), a current-induced switching approach, not only simplifies the switching process but also provides an unprecedented speed and power performances, compared with the field-induced switching. This thesis is dedicated to the compact modelling and hybrid circuit design for current-induced switching spintronic devices. Magnetic tunnel junction (MTJ), the basic element of magnetic random access memory (MRAM), and racetrack memory, a novel concept based on current-induced domain wall (CIDW) motion, are particularly investigated. These spintronic devices and circuits are based on the materials with perpendicular-magnetic-anisotropy (PMA) that promises the deep submicron miniaturization while keeping a high thermal stability. Numbers of physical models and realistic parameters are integrated in the compact modeling to achieve a good agreement with experimental measurements. By using these accurate compact models of PMA STT MTJ and PMA racetrack memory, some magnetic logic and memory applications, such as magnetic full adder (MFA) and content addressable memory (CAM), are designed and simulated. We analyze and assess their performance potential in terms of speed, area and power consumption compared with the conventional circuits. Finally, in order to tackle the capacity bottleneck hindering the wide application, we propose two design optimizations: MLC for MRAM and magnetic field assistance for racetrack memory. This MLC design benefits from the STT stochastic behavior to achieve an ultra-high speed while increasing the density. The racetrack memory with magnetic field assistance is based on the observation that CIDW motion can be triggered below the critical current due to “Walker breakdown” effect. This opens a new route to reduce the propagation current and increase the capacity of racetrack memory beyond the improvements of peripheral circuits or materials.

Dans le cadre de l'augmentation de la densité de stockage des mémoires magnétorésistives à accès direct (MRAM), les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire sont particulièrement intéressants car ils possèdent une très forte anisotropie. Cependant, cette augmentation d'anisotropie induit également un accroissement de la consommation d'écriture. Un nouveau concept d'écriture assistée thermiquement a été proposé par le laboratoire SPINTEC. Le principe est de concevoir une structure très stable à température ambiante, mais qui perd son anisotropie lorsqu'elle est chauffée, facilitant ainsi l'écriture. Le but de cette thèse est de valider expérimentalement ce concept. Les premiers chapitres sont consacrés à l'optimisation des matériaux à anisotropie perpendiculaire que sont les multicouches (Co/Pt), (Co/Pd) et (Co/Tb). Leur intégration dans une jonction tunnel magnétique est ensuite présentée. L'évolution de l'anisotropie en température, paramètre crucial au bon fonctionnement de l'assistance thermique, a également été étudiée. Enfin, il est démontré que l'écriture thermiquement assistée est particulièrement efficace : les structures développées présentent une consommation d'écriture réduite par rapport aux structures classiques et une forte stabilité à température ambiante. / In order to increase the storage density of magnetoresistive random access memories (MRAM), magnetic materials with perpendicular anisotropy are very appealing thanks to high anisotropy. However, the enhancement of anisotropy induces an increase of writing consumption as well. A new thermally assisted switching concept has been proposed by SPINTEC laboratory. The principle is to design a highly stable structure at stand-by temperature which loses its anisotropy when heated, making thus the switching easier. The aim of this thesis is to validate experimentally this concept. The first chapters describe the optimisation of out-of-plane magnetic materials such as (Co/Pt), (Co/Pd) and (Co/Tb) multilayers. Their integration in magnetic tunnel junctions is then presented. The evolution of anisotropy with temperature is a critical parameter for thermally assisted writing and has been therefore studied. Finally, the efficiency of this thermally assisted writing is demonstrated: the developed structures present a reduced consumption compared to standard structures and high stability at room temperature.

La miniaturisation du nœud technologique de CMOS en dessous de 90 nm conduit à une forte consommation statique pour les mémoires et les circuits logiques, due aux courants de fuite de plus en plus importants. La spintronique, une technologie émergente, est d'un grand intérêt pour remédier à ce problème grâce à sa non-volatilité, sa grande vitesse d'accès et son intégration facile avec les procédés CMOS. Comparé à la commutation induite par le champ magnétique, le transfert de spin (STT), une approche de commutation induite par le courant, non seulement simplifie le processus de commutation mais aussi permet un fonctionnement sans précédent en termes de consommation et de vitesse. Cette thèse est consacrée à la modélisation compacte et la conception de circuit hybride pour les dispositifs spintroniques basés sur la commutation induite par le courant. La jonction tunnel magnétique (JTM), élément fondamental de la mémoire magnétique (MRAM), et la mémoire racetrack, nouveau concept fondé sur la propagation des parois de domaine induites par le courant, sont particulièrement étudiés. Ces dispositifs et circuits spintroniques sont basés sur les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire (AMP) qui ouvrent la perspective d'une miniaturisation submicronique tout en conservant une grande stabilité thermique. De nombreux modèles physiques et paramètres réalistes sont intégrés dans la modélisation compacte pour obtenir une bonne cohérence avec les mesures expérimentales. En utilisant ces modèles compacts précis, certaines applications pour la logique et les mémoires magnétiques, tels que l'additionneur complet magnétique (ACM) et la mémoire adressable par contenu (CAM), sont conçues et simulées. Nous analysons et évaluons leur potentiel de performance en termes de surface, vitesse et consommation d'énergie par rapport aux circuits classiques. Enfin, afin de lutter contre la limitation de capacité entravant la large application, nous proposons deux optimisations de conception : la mémoire multivaluée (MLC) pour la STT-MRAM et l'assistance par champ magnétique pour la mémoire racetrack. Ce concept de MLC utilise le comportement stochastique des STT pour atteindre une haute vitesse tout en augmentant la densité de STT-MRAM. La mémoire racetrack assistée par champ magnétique est fondée sur l'observation d'une propagation des parois de domaine en dessous du courant critique, propagation est attribué à l'effet " Walker breakdown ". Ceci ouvre une nouvelle voie pour réduire le courant de propagation et augmenter la capacité des mémoires racetrack au-delà des améliorations des circuits périphériques et des matériaux.

Un des challenges actuels dans le domaine de la spintronique est son extension vers des systèmes dits de nanospintronique, où les dimensions sont réduites à l’échelle du nanomètre, avec comme système modèle un nano-aimant unique. La découverte de nouveaux moyens pour contrôler l’aimantation dans ces nano-aimants, pourrait avoir des applications pour les technologies de l’information. Dans le cadre de cette thèse nous nous sommes intéressés plus particulièrement aux nouveaux effets liés à l’accumulation de charges électriques au sein de films magnétiques ultraminces, aussi appelés effets de champ électrique. Nous avons étudié l’effet de l’application d’un champ électrique sur les différents paramètres magnétiques propres à nos films, via des mesures de magnéto-transport et magnéto-optique. Ces mesures ont été conduites sur une tri-couche de Pt/Co/AlOx présentant un gradient d’oxydation pour l’alumine. L’oxydation de cette interface étant contrôlée à l’échelle nanométrique, une large gamme de paramètres magnétiques est donc accessible au sein d’un seul et même échantillon. Ceci représente un très bon outil d’étude pour les différents phénomènes intervenant dans ces tri-couches. La caractérisation fine de ces échantillons a permis de mettre en évidence une zone pour laquelle des propriétés très intéressantes ont été observées (domaines spontanément désaimantés, bulles skyrmioniques). La proximité de la température de Curie (Tc) de cette zone avec la température de mesure (ambiante) en est la cause principale. Ces bulles skyrmioniques font actuellement l’objet de beaucoup de recherche au niveau national et international, étant considérées comme potentiellement très attractives pour des applications de type mémoire et logique magnétique. L’originalité de ce travail de thèse a été de montrer que ces bulles skyrmioniques sont fortement influencées par le champ électrique, dû au fort contrôle des propriétés magnétiques de cette zone (anisotropie, champ coercitif, aimantation à saturation, facteur DMI). Nous proposons le design d’un interrupteur nanométrique permettant de créer ou effacer ces bulles skyrmioniques grâce à un champ électrique, levant ainsi un verrou important pour la mémoire/logique magnétique basée sur ces bulles skyrmioniques. La potentialité de ces nouveaux effets pour réaliser un renversement ’aimantation/une création de bulles skyrmioniques, assistés par champ électrique, a été étudiée à des plages de températures et d’anisotropies adaptées pour ces applications (température ambiante). / A current challenge in the field of spintronics is the development of functional nanospintronics systems, in which the dimensions of the device are confined to the nanometer scale. The model system is called a single nano-magnet. New possible routes to control its magnetisation could be useful for many applications, in particular, those in the area of information technology. During this PhD, we chose to study the particular effects that are linked to the electric charge accumulation in the nano-magnet. This effect, also known as the electric field effect, were studied on the different magnetic properties of our films. They were probed by magneto-transport and magnetooptical measurements. These measurements were conducted on asymmetric Pt/Co/AlOx trilayers. These structures were sputter-deposited on a wedge shape for the alumina. This leadingto a nanometric control of the oxidation degree of the interface. Then, a wide range of magnetic parameters is available on a unique sample. Systematic caracterization of these structures showed an interesting zone for magnetic properties (spontaneous striped domains, skyrmionic bubbles). The observation of this type of magnetic object is directly linked to the weak Curie temperature(Tc) of this zone (close to room temperature. Skyrmionic bubbles are subject to lots of international studies. They are potentially attractive for memories or logic devices development. The key result of this PhD was to show the strong dependence of magnetic skymionic bubbles with electric field application. The full electrical switch of these objects has been achieved, due to the strong electrical control of the different magnetic properties. To induce electric-field assisted magnetisation reversal/skyrmionic bubbles nucleation, studies were performed for an adapted range of temperatures and anisotropies (room temperature).