Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes de propagation de parois magnétiques dans des films et des pistes magnétiques basés sur des matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire qui sont très prometteurs pour les mémoires magnétiques non volatiles d’ultra haute densité. Je me suis principalement intéressé à l’influence des défauts structuraux sur les mécanismes de dépiegeage de parois en utilisant la technique de microscopie Kerr ainsi que des mesures de transport. Trois résultats importants ont été mis en évidence : (1) Dans des vannes de spin de type CoNi/Cu/CoNi, il existe une forte influence du champ dipolaire généré par la couche dure qui peut influencer la nucléation parasite de paroi magnétique dans la couche libre et créer une propagation asymétrique sous l’effet d’un courant polarisé. J’ai aussi montré que dans des pistes sub-50nm, le renversement de l’aimantation s’effectue par des événements multiples de nucléation à cause de la présence de centres de piégeage fort qui bloquent la propagation ; (2) En visualisant la géométrie des domaines magnétiques et en étudiant les lois de reptation, j’ai montré la présence d’une faible densité de défauts structuraux et de faibles champs de propagation dans les multicouches texturés/amorphe de CoNi-CoFeB et cristallisés de Ta-CoFeB-MgO ; (3) J’ai finalement mis en évidence un effet du transfert de spin à de faibles densités de courant (≈5x1011 A/cm2) dans les pistes de CoNi-CoFeB. J’ai aussi montré une forte influence du champ d’Oesterd sur la propagation de parois liée à la présence de faibles champs de propagation. Finalement, dans le cas des pistes basées sur des films cristallisés de Ta-CoFeB-MgO, j’ai pu mesurer la vitesse sur 10 ordres de grandeur et montrer que les parois se propagent à des champs de propagation ultra faibles (0,1mT). / This work is focused on the study of magnetic domain wall propagation mechanisms in the thin films and wires based on materials with perpendicular magnetic anisotropy which are promissing for the non-volatile magnetic memory of ultra high density. I’m interested in the influence of structural defects on the mechanisms of domain wall propagation by using the Kerr microscopy technique and the transport measurements. Three important results were obtained: (1) In the spin valve structure of CoNi/Cu/CoNi, a strong influence of the dipolar magnetic field induced by the hard layer can generate a parasitic nucleation in the soft layer and create an asymmetric domain wall propagation driven by a spin polarized current. I also demonstrated that in sub-50nm wires, the nature of magnetization reversal process is the multiple nucleation events because of strong pinning centers that hinder the domain wall motion; (2) By observing the magnetic domain geometry et studying the creep law, I have pointed out that in the CoNi-CoFeB multilayers and the crystallized Ta-CoFeB-MgO multilayers, the structural defect density is low and the propagation fields can be reduced; (3) I found a spin-transfer effect with low current density (≈5x1011 A/cm2) in CoNi-CoFeB wires. I also demonstrated that the Oersted field can strongly influence the domain wall motion, especially in the material with low propagation field. Finally, in the Ta-CoFeB-MgO wires, I could measure a wide range of domain wall velocity and I show that the domain wall can move at a very low propagation field (0.1mT)

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du champ magnétique Oersted sur le mouvement induit par courant de parois de domaines magnetiques dans des nanobandes de bicouches IrPy. Nous avons optimisé la croissance épitaxiale des couches minces IrPy avec faible rugosité de surface et d'interface, peu de défauts structurels et un faible champ coercitif. Cela peut réduire le piégeage de parois et donc augmenter sa mobilité. Nanobandes polycristallins PtPy préparées par pulvérisation ont également été étudiées pour comparer les résultats avec des échantillons épitaxiés. Une première preuve directe de l'effet du champ Oersted sur la configuration magnétique de nanobandes magnétiques a été donnée par V. Uhlir et al. utilisant des mesures XMCD-PEEM résolues en temps. Ils ont observé une grande inclinaison transversale de l'aimantation du Py et CoFeB dans les nanobandes en tricouchesCoCuPy et CoCuCoFeB. Nous avons observé le changement de chiralité des parois transverses sous champ Oersted avec des impulsions de courant en utilisant la microscopie à force magnétique. Un mouvement de parois stochastique a été observé en raison du piégeage, ce qui donne lieu à une large distribution de vitesses de paroi de domaine. Déplacement de paroi opposé au flux d'électrons et transformations de paroi ont également été observés en raison de Joule chauffage. Les grains de grande taille (comparable à la largeur de bande) dans nos couches minces épitaxiales bi-cristallins par rapport aux échantillons polycristallins (~10nm) peut être la source possible du fort piégeage. Néanmoins, des vitesses de parois maximales très élevées (jusqu'à 700 et 250m/s) pour des densités de courant relativement faible (1.7x1012 et 1x1012 A/m2) ont été observées dans échantillons épitaxiales et pulvérisées respectivement. Ces vitesses sont 2 à 5 fois plus élevées avec des densités de courant similaires ou plus faible que celles observées dans des nanobandes de Py seul, rapportés dans la littérature. Le champ Oersted est peut-être à l'origine de la plus grande efficacité du couple de transfert de spin dans ces bandes en bicouche. Des simulations micromagnétiques réalisées dans notre groupe confirment qu'un champ magnétique transverse appliqué en plus d'un champ longitudinal pour déplacemer la paroi peut stabiliser le cœur d'une paroi vortex au centre de la nanobande, supprimant ainsi l'expulsion de cœur au bord de la nanobande et donc empêchant la transformation de parois vortex. De même, il peut stabiliser les parois transverses, empêchant des transformations. Cela peut conduire à une décalage du seuil de Walker vers des courants plus élevés, résultant en une augmentation de la vitesse de paroi. Des mesures XMCD-PEEM résolue en temps seront réalisées dans un avenir proche pour confirmer l'effet du champ Oersted sur le mouvement de la paroi.

Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches.Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques.Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale.Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques. / This thesis is dedicated to the research of the static and dynamic properties of magnetic Domain Walls (DWs) in CoFeB nanowires. A measurement system based on a high-resolution Kerr microscope was implemented and used for these research.First, phenomena related to the DW surface tension was studied. A spontaneous collapse of domain bubbles was directly observed using the Kerr microscope. This phenomenon was explained using the concept of the Laplace pressure due to the DW surface energy. The surface energy of DW was quantified by measuring the external field required to stabilize these bubbles. The DW pinning and depinning mechanism in some artificial geometries, such as the Hall cross or the entrance connecting a nucleation pad and a wire, was explained using the concept of DW surface tension and was used to extract the DW surface energy. Benefited from these studies, a method to directly quantify the coefficient of Dzyaloshinskii- Moriya Interactions (DMI) using Kerr microscope has been proposed. In addition, a new type of magnetic sensor based on the revisable expansion of DW due to DW surface tension was proposed and verified using micromagnetic simulations.Second, the dynamic properties of DWs in Ta/CoFeB/MgO film and wires were studied. The velocity of DW motion induced by magnetic fields or by the combined effect of synchronized magnetic field pulses and electrical current pulses was measured. In steady flow regime, the velocity of DW motion induced by the combined effect of the field and the current equals to the superposition of the velocities driven by field or current independently. This result allowed us to extract the spin-polarization of CoFeB in this structure. Pinning effects of DW motion in narrow wires was studied. Depinning fields of hard pinning sites for the field-driven DW motion in nanowires was measured. It was found that the pinning effects become severer as the width w of the wires scaled down. A linear relationship between the depinning field and w was found. The origin of these hard pinning sites, as well as their influences on the DW motion velocity, was discussed. Furthermore, it was found that the pinning effect was enhanced when a current was applied, no matter the relative direction between the DW motion and the current. We propose a possible explanation, which would be an effect of the spin Hall current from the sublayer (Ta). Although there was no DMI or in-plane field, the spin Hall current, which was polarized in the transverse direction, can still exert a torque on the Bloch DW, once the DW tilts away from the transverse direction.At last, a ring-shaped racetrack memory based on the combined work of STT and has been proposed. Compared with the traditional line-shaped racetrack memory, this ring-shaped memory allows the DW moving in a ring-shaped nanowire and the data dropout problem can be avoided. The design and optimization work was performed with micromagnetic simulations.

Depuis la première observation de désaimantation ultra-rapide dans des films de Ni soumis à une excitation laser pulsée, on a assisté à un grand intérêt de comprendre l'interaction entre les impulsions laser ultra-courtes et l'aimantation. Ces études ont conduit à la découverte de la commutation toute optique de l'aimantation dans un alliage de film ferrimagnétique en utilisant des impulsions laser femtosecondes. La commutation toute optique permet un renversement de l’aimantation d’un matériau magnétique sans champ magnétique externe. La direction de l'aimantation résultante est donnée par la polarisation circulaire droite ou gauche de la lumière. La manipulation de l'aimantation par un faisceau laser a longtemps été limité à un seul type de matériau, mais ce mécanisme s'est avéré être un phénomène plus général qui s’applique à une grande variété de matériaux ferromagnétiques, y compris des alliages, des empilements et des hétérostructures, ainsi que des hétérostructures ferrimagnétiques synthétiques de terres-rares. Récemment, nous avons observé le même phénomène dans des films ferromagnétiques simples, ouvrant ainsi la voie à une intégration de l'écriture toute optique dans les dispositifs spintroniques. De plus, dans des matériaux de type [Co/Pt] ou [Co/Ni] avec une polarisation de spin élevée et une anisotropie magnétique perpendiculaire contrôlable, un mouvement de parois de domaines induit par un courant polarisé peut être observé dans des pistes magnétiques (couple spin-orbite ou couple de transfert de spin), ce qui présente un grand intérêt pour des applications spintroniques basse consommation et de densité élevée, telles que le concept de mémoire racetrack et la logique magnétique. Cependant, la densité de courant requise pour le mouvement des parois de domaines est encore trop élevée pour permettre la réalisation de dispositifs à faible puissance. Dans ce contexte innovant, la recherche effectuée dans le cadre de ma thèse s’est concentrée sur la manipulation de parois de domaines dans les pistes fabriquées à partir de films minces à forte anisotropie magnétique perpendiculaire en combinant à la fois les effets du courant polarisé et ceux de la commutation toute optique. Différents films minces ont été explorés afin d'étudier les effets combinés optiques dépendant de l'hélicité et des couples spin-orbite ou de transfert de spin sur le mouvement des parois de domaines. Nous avons montré que les parois de domaine peuvent rester piégées sous une hélicité circulaire du laser et dépiégées par une hélicité circulaire opposée, et la densité de courant polarisé seuil peut être considérablement réduite en utilisant un laser femtoseconde. Nos résultats sont prometteurs pour le développement de nouveaux dispositifs photoniques-spintroniques de faible puissance. / Since the first observation of ultrafast demagnetization in Ni films arising from a pulsed laser excitation, there has been a strong interest in understanding the interaction between ultrashort laser pulses and magnetization. These studies have led to the discovery of all-optical switching (AOS) of magnetization in a ferrimagnetic film alloy of GdFeCo using femtosecond laser pulses. All-optical switching enables an energy-efficient magnetization reversal of the magnetic material with no external magnetic field, where the direction of the resulting magnetization is given by the right or left circular polarization of the light. The manipulation of magnetization through laser beam has long been restricted to one material, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic materials, including alloys, multilayers and heterostructures, as well as rare earth free synthetic ferrimagnetic heterostructures. Recently, we have observed the same phenomenon in single ferromagnetic films, thus paving the way for an integration of all-optical writing in spintronic devices. Moreover, in similar materials, like [Co/Pt] or [Co/Ni] with high spin polarization and tunable perpendicular magnetic anisotropy (PMA), efficient current-induced domain wall (DW) motion can be observed in magnetic wires, where spin-orbit torque (SOT) or spin transfer torque (STT) provides a powerful means of manipulating domain walls, which is of great interest for several spintronic applications, such as high-density racetrack memory and magnetic domain wall logic. However, the current density required for domain wall motion is still too high to realize low power devices. This is within this very innovative context that my Ph.D. research has focused on domain wall manipulation in magnetic wires made out of thin film with strong perpendicular magnetic anisotropy combining both spin-polarized current and all-optical switching. Different material structures have been explored, in order to investigate the combined effects of helicity-dependent optical effect and spin-orbit torque or spin transfer torque on domain wall motion in magnetic wires based on these structures. We show that domain wall can remain pinned under one laser circular helicity while depinned by the opposite circular helicity, and the threshold current density can be greatly reduced by using femtosecond laser pulses. Our findings provide novel insights towards the development of low power spintronic-photonic devices.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du champ magnétique Oersted sur le mouvement induit par courant de parois de domaines magnetiques dans des nanobandes de bicouches IrPy. Nous avons optimisé la croissance épitaxiale des couches minces IrPy avec faible rugosité de surface et d'interface, peu de défauts structurels et un faible champ coercitif. Cela peut réduire le piégeage de parois et donc augmenter sa mobilité. Nanobandes polycristallins PtPy préparées par pulvérisation ont également été étudiées pour comparer les résultats avec des échantillons épitaxiés. Une première preuve directe de l'effet du champ Oersted sur la configuration magnétique de nanobandes magnétiques a été donnée par V. Uhlir et al. utilisant des mesures XMCD-PEEM résolues en temps. Ils ont observé une grande inclinaison transversale de l'aimantation du Py et CoFeB dans les nanobandes en tricouchesCoCuPy et CoCuCoFeB. Nous avons observé le changement de chiralité des parois transverses sous champ Oersted avec des impulsions de courant en utilisant la microscopie à force magnétique. Un mouvement de parois stochastique a été observé en raison du piégeage, ce qui donne lieu à une large distribution de vitesses de paroi de domaine. Déplacement de paroi opposé au flux d'électrons et transformations de paroi ont également été observés en raison de Joule chauffage. Les grains de grande taille (comparable à la largeur de bande) dans nos couches minces épitaxiales bi-cristallins par rapport aux échantillons polycristallins (~10nm) peut être la source possible du fort piégeage. Néanmoins, des vitesses de parois maximales très élevées (jusqu'à 700 et 250m/s) pour des densités de courant relativement faible (1.7x1012 et 1x1012 A/m2) ont été observées dans échantillons épitaxiales et pulvérisées respectivement. Ces vitesses sont 2 à 5 fois plus élevées avec des densités de courant similaires ou plus faible que celles observées dans des nanobandes de Py seul, rapportés dans la littérature. Le champ Oersted est peut-être à l'origine de la plus grande efficacité du couple de transfert de spin dans ces bandes en bicouche. Des simulations micromagnétiques réalisées dans notre groupe confirment qu'un champ magnétique transverse appliqué en plus d'un champ longitudinal pour déplacemer la paroi peut stabiliser le cœur d'une paroi vortex au centre de la nanobande, supprimant ainsi l'expulsion de cœur au bord de la nanobande et donc empêchant la transformation de parois vortex. De même, il peut stabiliser les parois transverses, empêchant des transformations. Cela peut conduire à une décalage du seuil de Walker vers des courants plus élevés, résultant en une augmentation de la vitesse de paroi. Des mesures XMCD-PEEM résolue en temps seront réalisées dans un avenir proche pour confirmer l'effet du champ Oersted sur le mouvement de la paroi. / The aim of this thesis is to study the effect of the magnetic Oersted field on current-induced domain wall (DW) motion in IrPy bilayer nanostripes. We optimized the epitaxial growth of IrPy films on sapphire (0001) substrates with less structural defects, small surface and interface roughness and small coercive fields. This was expected to reduce the DW pinning and hence increase the DW mobility. Polycrystalline PtPy nanostripes prepared by sputtering were also studied to compare the results with epitaxial samples. A first direct evidence of the effect of the Oersted field on the magnetic configuration of magnetic nanostripes was given by V. Uhlir et al. using time-resolved XMCD-PEEM measurements. They observed a large tilt of the Py and CoFeB magnetization in the direction transverse to the stripes in CoCuPy and CoCuCoFeB trilayer nanostripes. We observed chirality switching of transverse walls induced by the Oersted field due to current pulses using magnetic force microscopy. DW motion was found to be stochastic due to DW pinning, which results in a distribution of velocities. DW motion opposite to the electron flow and DW transformations were also observed due to Joule heating. The large grain size (comparable to the stripe width) in our epitaxial bi-crystalline films with respect to the polycrystalline samples (~10nm) may be a possible source of pinning. Nevertheless, very high maximum DW velocities (up to 700 and 250m/s) for relatively low current densities (1.7 x1012 and 1 x1012 A/m2) were observed in epitaxial and sputtered samples respectively. These velocities are 2 to 5 times higher with similar or even smaller current densities than observed in single layer Py nanostripes, reported in the literature. The Oersted field may be at the origin of the high efficiency of the spin transfer torque in these bilayer stripes. Micromagnetic simulations performed in our group confirm that when a transverse magnetic field is applied in addition to a longitudinal field along the nanostripe for VW motion, the vortex core can be stabilized in the center of nanostripe, suppressing the core expulsion at the nanostripe edge and hence preventing the VW transformation. Similarly, it can stabilize transverse walls, preventing DW transformations. This can result in a shift of the Walker breakdown to higher fields/currents, resulting in an increase in DW velocity. Time-resolved XMCD-PEEM measurements will be performed in the near future to confirm the effect of the Oersted field on the DW motion.

Ce travail de thèse a pour objectif l'étude de la dynamique de l'aimantation dans des nano-objets à anisotropie magnétique perpendiculaire, soit métalliques Pt/Co(5 Å)/Pt soit semiconducteurs ferromagnétiques dilués GaMnAs. Le renversement de l'aimantation, sous l'action d'un champ magnétique dans des nano-plots ou sous l'action d'un courant polarisé en spin sur une paroi de domaines dans une piste, a été étudié par magnéto-optique Kerr polaire. La nano-structuration a été réalisée par un procédé classique dans le cas du GaMnAs et par un procédé élégant dans le cas de la couche ultramince de cobalt : l'irradiation aux ions hélium qui permet d'obtenir des nano-plots dans un environnement planaire paramagnétique. Dans ces deux systèmes, différents de par l'origine du ferromagnétisme et de l'anisotropie, la réduction des dimensions latérales joue un rôle important en impliquant une transition d'un renversement à plusieurs mécanismes à un renversement à un seul mécanisme. Si le mode de renversement de Néel-Brown permet d'expliquer les résultats obtenus pour les nano-plots de GaMnAs de diamètre 33 nm, il ne peut pas rendre compte des résultats expérimentaux obtenus sur les nano-disques de Pt/Co/Pt de diamètre 130 nm. L'étude du comportement magnétique individuel de ces nano-disques conduit à la mise en évidence d'une nucléation d'une gouttelette en périphérie, confortée par un modèle micromagnétique. Contrairement au cas des métaux, le déplacement de paroi induit par un courant polarisé en spin se révèle aisé dans une piste de GaMnAs. Les mesures réalisées à température effective constante ont montré la nécessité de considérer un mécanisme non-adiabatique de transfert de spin.