Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du compor-tement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uni-axiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin / The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nano-magnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesisFirst, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental re-sults with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are ex-plained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior.Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behaviour whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.

Ce mémoire est consacré à l'étude théorique et expérimentale de la dynamique rapide de l'aimantation dans des nanostructures de (Co3Å/Pt6Å)6 à forte anisotropie perpendiculaire. J'ai proposé d'assister le retournement de l'aimantation par un champ d'échange dans le plan de La nanostructure. Un modèle analytique a été développé dans l'approximation macrospin. Ce champ d'échange réduit significativement l'amplitude de l'impulsion du champ magnétique nécessaire pour le retournement, et ce à la fois si le champ appliqué est parallèle au champ d'échange ou perpendiculaire au plan de la nanostructure. Dans ce dernier cas, la ré-écriture directe est possible et la réduction du champ de retournement peut être utilisée pour augmenter de 24% la densité d'enregistrement sur disques durs en ayant recours à des matériaux à plus forte anisotropie magnétique. L'aspect expérimental comprend deux parties. La première concerne la conception, la réalisation et la caractérisation des échantillons. Après la définition des circuits hyperfréquences, quatre procédés technologiques pour leur microfabrication ont été testés et comparés. Les microcircuits incorporent une source de champ localisée, prenant la forme d'une microbobine ou d'une ligne coplanaire. Leur bande passante varie entre 14 GHz et 20 GHz. Les champs magnétiques typiques générés par la microbobine et la ligne coplanaire sont respectivement de 1.9 Oe/mA et 1.3 Oe/mA. Les mesures résolues en temps par effet Hall extraordinaire ont été réalisées pour sonder la réponse précessionnelle de l'aimantation induite l'impulsion du champ. La forte résistance DC de la multicouche Co/Pt a rendu difficile la détection de ce signal. Des mesures quasi-statiques de retournement avec une/plusieurs impulsions de durées autour de la nanoseconde assistées par un champ statique perpendiculaire ont été faites. L'impulsion du champ aide le retournement, vraisemblablement par nucléation. A titre d'exemple, il a été notamment montré qu'une impulsion de 32 mT et de durée 10 ns peut retourner l'aimantation de presque toute une nanostructure de 500´500nm2 si cette impulsion est assistée par un champ statique de 22 mT.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale de l'origine de l'Effet Hall Anormal (EHA) et de la propagation d'une paroi de domaine. Pour cela, j'ai développé une technique de mesure basée sur l'effet Hall Anormal (EHA) qui a permis de suivre en temps réel la propagation d'une paroi magnétique dans des pistes submicroniques. La première partie est consacrée à étudier l'origine de l'EHA dans des films ultraminces de Pt/Co/Pt/Al2O3 à anisotropie magnétique perpendiculaire. En modifiant les propriétés structurales des interfaces par irradiation ionique, j'ai montré que la diffusion à la surface et aux interfaces sont les mécanismes dominants contribuant à l'EHA. En parallèle, j'ai utilisé l'EHA pour étudier la dynamique d'une paroi de domaine 1D dans des pistes submicroniques de largeur w0 gravées dans les films de Pt/Co/Pt/Al2O3. La vitesse de propagation de la paroi de domaine v(H) est fortement réduite lorsque w0 diminue et elle suit un comportement de reptation. Le champ critique effectif est proportionnel à 1/w0. Des mesures dans des pistes avec des défauts artifiellement contrôlés nous montrent que cet effet est du à la présence de la rugosité de bords de la piste introduite pendant les étapes de lithographie et de gravure. Un modèle théorique de reptation a été développé et il est en accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, dans la dernière partie, nous avons démontré que la dynamique de propagation de la paroi peut être fortement modifiée par l'irradiation.

L'injection de courant polarisé en spin dans les semi-conducteurs est un point-clef de la spintronique, discipline qui vise à utiliser le spin de l'électron comme degré de liberté en électronique. Ce travail de thèse étudie l'injection de spins depuis une électrode ferromagnétique à travers une barrière tunnel vers un semi-conducteur en absence de champ magnétique. La polarisation du courant injecté est détectée optiquement, ce qui impose que l'aimantation des électrodes soit perpendiculaire aux plans des électrodes. Ce travail s'articule donc en deux parties. La première section traite de l'élaboration d'hétérostructures oxyde/métal ferromagnétiques pour l'injection de spins dans le GaAs et le Si. Les croissances d'électrodes de MgO/FePt par épitaxie par jets moléculaires sur GaAs et de Al2O3/CoPt par pulvérisation cathodique sur Si sont décrites. L'étude des propriétés structurales et magnétiques et de transport de ces couches a ainsi permis de montrer la possibilité d'obtenir des films minces à aimantation perpendiculaire pour l'injection de spins sur plusieurs matériaux. La deuxième partie se focalise sur le transport polarisé en spin dans le Silicium. L'injection de courant polarisé dans ce matériau en absence de champ magnétique externe est ainsi démontrée pour la première fois par des mesures d'électroluminescence. L'analyse de la lumière émise par un puits quantique de SiGe inséré dans une diode de Silicium montre une polarisation optique de l'ordre de 3% liée à la polarisation en spin du courant injecté.

Nous avons développé un montage magnéto optique capable de mesurer in situ l'évolution de l'aimantation de nanostructures de cobalt sur de l'or (111) déposées par électrochimie. Le montage dispose d'une cellule électrochimique avec système de circulation permettant de modifier la nature des solutions et d'effectuer des dépôts multicouches. La cadence d'acquisition de cycles M-H est de 2 par seconde. Nous avons utilisé et analysé les résultats de travaux d'observation STM in situ de la morphologie de cobalt en fonction du potentiel de dépôt dans l'intervalle [-1.6 V/MSE ; -1.26 V/MSE]. Le cobalt se dépose en bicouche quelque soit le potentiel de dépôt puis après formation complète de la bicouche, la croissance s'effectue couche par couche. Lors de la formation de la bicouche, ! la densité d'îlots augmente d'autant plus que le potentiel de dépôt est négatif. La mesure de la composante perpendiculaire de l'aimantation indique un basculement hors plan/dans le plan de l'aimantation pour une épaisseur de 1.6 monocouches de Co soit lors de la coalescence de la bicouche. Lorsque la troisième couche de Co se forme, on mesure un maximum de susceptibilité magnétique à 2.8 monocouches. Nous avons déposé du Cu sur du Co afin de saturer l'aimantation du Co. Ainsi, nous avons déterminé les constantes d'anisotropie pour des dépôts de Co supérieurs à 2 monocouches. Pour expliquer le comportement de l'aimantation entre 0 et 2 monocouches nous avons discuté deux hypothèses. La première est que les atomes de bords d'îlots possèdent une énergie d'anisotropie bien supérieure aux atomes de centre. La s! econde est qu'il existe des tailles d'îlots pou! r lesque lles l'aimantation n'est pas hors plan.

Ce travail porte sur l'étude, l'implémentation et le développement de la Microscopie de Lorentz, appliquée à l'observation de films minces magnétiques à anisotropie perpendiculaire (Fer-Palladium) et aux nanostructures auto-assemblées (Fer et Cobalt) à fermeture de flux. Une présentation exhaustive de tous les différents modes de l'imagerie magnétique dans un Microscope Electronique en Transmission (MET) est réalisée en comparaison avec d'autres techniques de caractérisation magnétique par l'image. Il est notamment présenté ici comment cette microscopie peut être implémentée sur un microscope conventionnel et les divers modes de celle-ci sont comparés par la simulation. La Microscopie de Lorentz permet une analyse à la fois locale et quantitative de la distribution de l'induction magnétique dans et autour des matériaux. Dans le même temps, il est possible d'effectuer des études sous l'application d'un champ magnétique pour déterminer l'évolution de la configuration micromagnétique de la matière. Les alliages Fer-Palladium sont ainsi entièrement caractérisés sous différentes géométries par les méthodes de Differential Phase Contrast, résolution de l'équation de Transport d'Intensité et Holographie électronique. L'étude in-situ permet notamment de caractériser et de suivre des défauts magnétiques : les lignes de Bloch verticales. L'étude de nanostructures (plots de Cobalt et plots de Fer) permet quant à elle de de manipuler les différents degrés de libertés magnétiques de systèmes 3D nanostructurés. Il est notamment proposé d'observer des phénomènes de transition entre divers objets du micromagnétisme (vortex, parois de domaines symétriques et asymétriques) ainsi qu'une sélection des degrés de liberté du système par l'application d'un champ.\\

La paroi de domaine magnétique est un concept essentiel à la compréhension du renversement d'aimantation dans un film ou une nanostructure magnétique, et peut être mise en jeu dans les processus d'écriture et de transmission d'une information dans un nano-dispositif. Théoriquement, nous avons mis en évidence, dans une nanostructure magnétique sans défauts, des effets de confinement sur la propagation d'une paroi sous champ magnétique et/ou sous courant polarisé en spin. Ceci a été illustré par l'étude, par microscopie magnéto-optique, de la propagation de paroi dans des films ultraminces Pt/Co/Pt à anisotropie perpendiculaire. Dans ces films, nous avons réalisé des nano-pistes lithographiées et irradiées à très faible dose par des ions hélium. Ces dispositifs se sont révélés être des systèmes modèles, idéaux pour étudier la propagation de paroi sous champ, et nous ont paru prometteurs pour l'étude de la propagation induite par transfert de spin. Pourtant, pour toute la gamme des impulsions de courant injectées dans ces pistes, aucun des effets de propagation observés expérimentalement n'a pu être attribué au transfert de spin. Au vu de l'évaluation quantitative du courant et de sa polarisation dans la couche de cobalt, ceci est justifié par un rapport défavorable entre l'échauffement par effet Joule et le transfert de spin.<br /><br />Nous avons également construit un magnétomètre Kerr polaire à haute résolution, utilisant un faisceau laser hautement focalisé, dont la résolution, la stabilité et la sensibilité exceptionnelles sont bien adaptées à l'étude de nanostructures magnétiques ultraminces à anisotropie perpendiculaire, et ce jusqu'à des dimensions largement sub-microniques.<br /><br />Enfin, nous avons étudié le renversement de l'aimantation sous champ magnétique dans un empilement de type jonction tunnel magnétique à anisotropie planaire, destiné au développement industriel de mémoires magnétiques à accès aléatoires. L'effet d'un recuit à haute température sur les propriétés magnétiques de cet empilement a été testé. En outre, dans la couche magnétique douce de la jonction tunnel, soumise à un couplage magnétique dipolaire à travers la barrière tunnel, nous avons mis en évidence une asymétrie des processus de nucléation de domaines et de propagation de parois en fonction du sens de balayage du champ, que nous avons associée à de légères inhomogénéités du champ de couplage dipolaire.

L'objectif de ce travail de thèse est de comprendre l'influence des<br />hétérogénéités magnétiques sur les propriétés de transport de<br />nano-structures de la spintronique. Pour le mener à bien, on a développé un<br />Microscope à Force Magnétique (MFM) original qui fonctionne à la<br />température ambiante sur une large gamme de champ. Le<br />caractère innovant de notre approche a été de développer un MFM capable de<br />mesurer in-situ les propriétés de transport, ceci afin de les corréler avec<br />la visualisation des domaines et parois magnétiques. <br />L'étude d'une structure hybride métal/isolant (une bicouche grenat/nickel) a per<br />mis d'étudier le couplage à l'interface ainsi que la rigidité sur une dizaine de<br /> microns du réseau de domaines dans le grenat. <br />Dans une deuxième phase, on s'est intéressé au déplacement d'une paroi<br />induit par un courant électrique. Nous avons développé un modèle classique<br />simple pour expliquer le transfert de spin d'un courant polarisé traversant une <br />paroi de domaines, ainsi qu'un nouveau mécanisme basé sur le chargement électriq<br />ue des parois par effet Hall. Nos études expérimentales sur l'injection de coura<br />nt dans des échantillons de cobalt ultra-fins à aimantation perpendiculaire, mon<br />trent que l'effet de dépiégeage des parois domine largement dans ce système. Nou<br />s expliquons ce phénomène par un effet de déformation de la structure interne de<br /> la paroi induite par le courant.

Le but de la thèse sera d'étudier la faisabilité d'un nouveau procédé de nanostructuration des jonctions tunnel de dimension sub-30nm récemment imaginé et breveté par Spintec et le LTM et de tester les propriétés des jonctions tunnel obtenus sur les plans structural, magnétique et des propriétés électriques. Une attention particulière sera mise sur la caractérisation des défauts générés en bord de piliers lors de la gravure des jonctions tunnels et l'impact de ces défauts sur les propriétés magnétiques et de transport. Une autre partie de la thèse concerne l'optimisation des propriétés magnétiques et de transport des empilements jonctions tunnel magnétiques en vue d'en améliorer la stabilité thermique, l'amplitude de magnétoresistance tunnel et la facilité de gravure de l'empilement.En particulier l'insertion de nouveaux matériaux réfractaires (W, ) dans les empilements a été étudiée pour améliorer la stabilité de l'empilement lors des recuits à haute température. Des améliorations ont également été apportées pour renforcer la stabilité de la couche de référence de la jonction tunnel lorsque cette dernière est située au dessus de la barrière tunnel. Par ailleurs, une nouvelle couche de couplage antiferromagnétique a été mise au point permettant de réduire significativement l'épaisseur totale de l'empilement et par là même facilitant sa gravure.Tous ces résultats ont été obtenus par des mesures magnétiques et de transport réalisées sur les couches continues et sur des piliers de taille nanométriques. / The first aim of the thesis is to study the feasibility of a new process for nanopatterning of sub-30nm diameter tunnel junctions recently patented by Spintec and LTM and to test the properties of tunnel junctions obtained, from the point of view of magnetic and electrical properties. Particular attention will be paid on the characterization of defects generated at the pillar edges when patterning the tunnel junctions and the impact of these defects on the magnetic and transport properties. Another part of the thesis is focused on improving the magnetic and transport MTJ stacks with higher thermal budget tolerance. As a part of this, new materials (W, etc) were used as cap layer or as a spacer layer in composite free layer of pMTJ stacks. Moreover, different magnetic materials combined with different non-magnetic spacer have been investigated to improve the thermal stability factor of the composite storage layers. Detailed structural characterizations were performed to demonstrate the improvements in magnetic and electrical properties. A new RKKY coupling layer was found which allowed to obtain an extremely thin pMTJ stack by reducing the SAF layer thickness to 3.8nm. Seed lees multilayers with enhanced PMA is necesssary to realize a top-pinned pMTJ stack which is necessary to configure a spin-orbit torque MRAM (SOT-MRAM)stack and double magnetic tunnel junction stacks (DMTJs). A new seed less multilyar with enhanced PMA and subsequently advanced stacks such as conventional-DMTJ, thin-DMT, SOT-MRAM stacks, Multibit memory were realized. Finally, electrical properties patterned memory devices were also studied to correlate with the magnetic properties of thin films.

L'amélioration des techniques de dépôts et l’évolution de la compréhension de la physique de la matière condensée a conduit à la découverte de phénomènes nouveaux en électronique de spin (spintronique). En particulier, le retournement de l’aimantation par couple de transfert de spin et couple spin-orbite, ainsi que le développement de dispositifs basés sur la propagation d’ondes de spin ont fait de l’amortissement magnétique de Gilbert un paramètre central pour les futures technologies de stockage et de traitement de l’information. Dans cette étude, la prédiction de valeurs très faibles d’amortissement dans les alliages d’Heusler demi métaux magnétiques Co2MnZ est expérimentalement observée et directement corrélée à la structure électronique sous-jacente. En effet, en substituant l’élément Z dans des couches minces monocristallines de haute qualité de Co2MnZ (Z= Al, Si, Ga, Ge, Sn, Sb) faites par épitaxie par jet moléculaire, les propriétés électroniques telles que le gap de spin minoritaire, la position du niveau de Fermi et la polarisation en spin peuvent être accordées et leurs conséquences sur la dynamique de l’aimantation sont analysées. Les résultats expérimentaux nous permettent de comprendre la relation existante entre la structure électronique mesurée et la valeur d’amortissement magnétique, ainsi que de les comparer aux calculs ab initio. Les valeurs d’amortissement entre 4.1 x10-4 et 9 x10-4 pour Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn et Co2MnSb sont les plus petites valeurs jamais reportées pour des couches conductrices et constituent une preuve expérimentale qui confirme les prédictions théoriques sur ces alliages d’Heusler demi métaux magnétiques. Ensuite, la relation entre l’amortissement magnétique de Gilbert et le temps de désaimantation ultra-rapide induit par pulse laser dans la série d’alliages quaternaires Co2MnSixAl1-x à polarisation en spin variable est étudiée. Cette partie vise à vérifier des modèles théoriques qui essaient d’unifier ces deux quantités vivant sur des échelles de temps différentes. Finalement, les propriétés structurales et magnétiques de super réseaux Mn3Ga/Co2YZ sont étudiées dans le but de combiner un amortissement de Gilbert très faible, un gap de spin minoritaire ainsi que l’aimantation perpendiculaire aux plans des couches, une caractéristique indispensable pour des dispositifs à faible consommation d’énergie. / Improvements in thin film elaboration methods and a deeper understanding of condensed matter physics have led to new exciting phenomena in spin electronics (spintronics). In particular, magnetization reversal by spin-orbit and spin-transfer torque as well as the development of spin waves based devices have placed the Gilbert magnetic damping coefficient as a key parameter for future data storage and information processing technologies. The prediction of ultralow magnetic damping in Co2MnZ Heusler half-metal magnets is explored in this study and the damping response is shown to be linked to the underlying electronic structure. By substitution of the Z element in high quality Co2MnZ (Z=Al, Si, Ga, Ge, Sn and Sb) epitaxial thin films grown by molecular beam epitaxy, electronic properties such as the minority-spin band gap, Fermi energy position in the band gap, and spin polarization can be tuned and the consequences for magnetization dynamics analyzed. Experimental results allow us to directly explore the interplay of spin polarization, spin gap and Fermi energy position, with the magnetic damping obtained in these films (together with predictions from ab initio calculations). The ultralow magnetic damping coefficients measured in the range from 4.1 x10-4 to 9 x10-4 for Co2MnSi, Co2MnGe, Co2MnSn and Co2MnSb are the lowest values ever reported in conductive layers and offer a clear experimental demonstration of theoretical predictions on half metal magnetic Heusler compounds. Then, the relation between the Gilbert damping and the ultrafast demagnetization time in quaternary Co2MnSixAl1-x compounds with a tunable spin polarization is analyzed. This way, it is possible to confront theoretical models unifying those two quantities that live in different timescales. Finally, structural and magnetic properties of Mn3Ga/Co2YZ Heusler superlattices are investigated in order to combine ultralow Gilbert damping coefficient, minority spin band gap and perpendicularly magnetized heterostructures, another requirement for low energy consumption devices. Through the present work, we aim to prove that Heusler compounds provide an excellent playground to study fundamental magnetism and offer a pathway for future materials design.