Dans cette thèse, j'ai étudié la relation entre la symétrie cristalline, la symétrie des interactions magnétiques et des soliton topologiques dans des couches minces magnétiques épitaxiées. Le cas particulier de couches avec une symétrie C2v a été considéré. Ces couches ont un intérêt particulier par leurs propriétés anisotropes qui permettent une stabilisation de solitons magnétiques avec différentes symétries et nombres topologiques. J'ai utilisé des approches théoriques et expérimentaux pour étudier ce phénomène :Approche micromagnétique :La relation entre les formulations atomistes et micromagnétiques des interactions magnétiques a été étudiée en fonction de la symétrie cristalline. Ceci a permis d'expliquer la présence des interactions anisotropes et d'étudier leur effet sur la configuration des solitons magnétiques 1D et 2D.La discussion commence par le plus simple soliton 1D, la paroi des domaines, et pas par pas des nouvelles interactions et symétries sont ajoutées afin de caractériser les conditions de stabilité et les propriétés des solitons 2D, les skyrmion et anti-skyrmions.Notre méthode a permis d'étudier les solitons topologiques 2D sur une large gamme de paramètres, et de construire un diagramme de phase en fonction de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) et du champ magnétique appliqué. Trois types de solitons topologiques 2D ont été identifiées (skyrmions, bulles skyrmioniques et skyrmions supercritiques) en fonction de leur taille et leur réponse à un champ magnétique externe.On a aussi montré qu'une inversion du signe de la DMI selon deux directions perpendiculaires permet la stabilisation d'anti-skyrmions. Un modèle micromagnétique a été développé pour étudier la différence de configuration et d'énergie entre skyrmions et anti-skyrmions. On montre que l'interaction dipolaire rompt la symétrie circulaire de l'anti-skyrmion et le rend plus stable que le skyrmion.Approche expérimentale :J'ai préparé différentes couches magnétiques épitaxiées de symétrie C2v. Pour chaque système, je décris les paramètres de croissance et la symétrie cristalline, suivi par les résultats des caractérisations magnétiques et finalement les résultats de microscopie magnétique.J'ai étudié la symétrie et l'intensité de la DMI dans une tricouche Au/Co/W à aimantation perpendiculaire. La DMI dans ce système induit une chiralité horaire de la modulation de spin avec une forte anisotropie de l'intensité de la DMI, venant de la symétrie C2v. Des skyrmions dans ce système devraient avoir une forme elliptique. Nous avons stabilisé des skyrmions dans des films continus et dans des nanostructures. Leur configuration magnétique a été étudiée par XMCD-PEEM et MFM, mais sans observer des propriétés anisotropes.Pour augmenter l'effet des interactions anisotropes sur la configuration des skyrmions, j'ai développé le système W/Co/Au-Pt(solution solide). Des études par microscopie ont montré la stabilisation des bandes magnétiques parallèles à l'axe facile dans le plan dans ce système. Des études par microscopie Kerr ont montré que l'origine de cette configuration en bandes parallèles est une forte anisotropie de la dynamique du mouvement des parois.Des mesures MFM en champ magnétique statique ont été effectuées afin de confiner des bulles skyrmioniques elliptiques, mais la sensibilité de ces mesures à des couches ultrafines a été insuffisante pour caractériser leurs propriétés anisotropes.Des mesures XMCD-PEEM ont permis d'observer la structure interne de parois selon l'axe planaire difficile du système. Ces mesures mettent en évidence un composant Néel de la paroi.Finalement, j'ai préparé et étudié un système W/Fe/Co/Au avec le but de stabiliser des anti-skyrmions. Cependant, le système n'a pas montré l'aimantation hors-du-plan qui est nécessaire pour stabiliser ces solitons. Ce signifie que l'anisotropie planaire de l'interface W/Fe domine l'anisotropie perpendiculaire de l'interface Co/Au. / In this thesis I studied the relationship between the crystal symmetry, the symmetry of the magnetic interactions and topological solitons in epitaxial magnetic thin films. The case of thin films with C2v symmetry has been considered. These systems are particularly interesting for the anisotropic properties that allow stabilising magnetic solitons with different symmetries and topology. I used theoretical and experimental approaches to investigate this phenomenon:Micromagnetic approach:The relationship between the atomistic and the micromagnetic formulations of magnetic interactions was studied as a function of the crystal symmetry.This allowed to explain the presence of anisotropicinteractions and study their effect on the configurations of 1D and 2D magnetic solitons. The discussion starts from the simplest 1D soliton, the domain wall, and step-by-step new interactions and symmetries are added in order to characterize the stability conditions and the properties of 2D solitons, skyrmions and anti-skyrmions. Our method allowed to study 2D topological solitons over a wide range of parameters and build a phase diagram as a function of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI) strength and magnetic field intensity. This allowed us to distinguish three kinds of 2D topological solitons (skyrmions, skyrmionic bubbles and supercritical skyrmions) as a function of their size and response to an external magnetic field. We show that an inversion of DMI strength along perpendicular directions allows the stabilisation of anti-skyrmions. A micromagnetic model is developed to study the configuration and energy differences between skyrmions and anti-skyrmions. This shows that the dipolar interaction breaks the circular symmetry of the antiskyrmion and makes it more stable than the skyrmion.Experimental approach:Epitaxial magnetic systems with C2v symmetry have been grown. For each system I describe the growth parameters and crystal symmetry, followed by the results of the magnetic characterisation and finally the results from the magnetic microscopy measurements.I have investigated the DMI symmetry and strength in an out-of-plane magnetised epitaxial Au/Co/W trilayer. The DMI in this system promotes a clockwise chirality of the spin modulation with a strong anisotropy in the DMI strength. This anisotropy arises from the C2v symmetry of the Co/W stack.Skyrmions in this system should have an elliptical shape. We stabilised skyrmions in continuous films and in nanopatterned structures. Their magnetic configurations have been displayed with different microscopic techniques, XMCD-PEEM and MFM, without identifying anisotropic properties.We designed the W/Co/Au-Pt (solid solution) system to increase the effect of the anisotropic interactions on the skyrmion configuration. Microscopy studies in naturally demagnetised areas show that stripe domains parallel to the in-plane easy axis are stable in this system. The configuration with a larger periodicity has been found even for thinner Co layer after demagnetisation with a magnetic field. Kerr microscopy studies of the DW dynamics allowed to evidence the origin of this magnetic configuration, which arises from a strong anisotropy in the DW motion.MFM measurements with the application of a static magnetic field have been performed in order to confine elliptical skyrmionic bubbles but the reduced sensitivity of this technique to thin magnetic systems did not allow to display and characterise them. XMCD-PEEM measurements allowed to display the internal structure of the DWs along the in-plane hard axis of the system. They show the presence of a Néel DW component. Finally I have grown and studied a W/Fe/Co/Au system where anti-skyrmions may in principle be stabilised. However, the system did not show the out-of-plane magnetisation which is fundamental for the stabilisation of skyrmions. This means that the W/Fe in-plane anisotropy dominates the Co/Au out-of-plane anisotropy.

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.

Submitted by Vasti Diniz (vastijpa@hotmail.com) on 2017-09-18T13:25:12Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1173515 bytes, checksum: 6b27e3426deb9a7c32c8aa5b029cc0a7 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-09-18T13:25:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 1173515 bytes, checksum: 6b27e3426deb9a7c32c8aa5b029cc0a7 (MD5) Previous issue date: 2016-07-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Here we describe the superconductivity and the Kondo effect through domain wall solutions. We introduced the temperature in the models by making an analogy between the domain walls type solutions with internal structures and Rindler obsevers. By making the introduction of temperature and a gauge field into the model we obtain the superconducting domain walls and the superconductivity they describe. When we consider a model that allows the violation of Lorentz symmetry is possible to describe the effect of impurities on the domain walls with which we describe the Kondo effect in superconductors. Our results are in agreement with the results obtained from research into holographic superconductors. / Neste trabalho descrevemos a supercondutividade e o efeito Kondo atraves de solugoes de paredes de dominio. Introduzimos a temperatura nos modelos fazendo uma analogia entre as solugoes do tipo paredes de dominio corn estruturas internas e os observadores de Rindler. Ao fazermos a introducao de temperatura e de urn campo de gauge no modelo obtemos paredes de dominios supercondutoras e corn elan descrevemos a supercondutividade. Ao considerarmos um modelo que permite a violado da simetria de Lorentz é possivel descrever o efeito de impurezas nas paredes de dominios, corn as quais descrevemos o efeito Kondo ern supercondutores. Nossos resultados estao de acordo com os resultados obtidos nas pesquisas sobre supercondutores holograficos.

Dans le contexte actuel des technologies de l’information, le traitement séquentiel effectué par les ordinateurs d’architecture classique bute sur des problématiques de consommation d’énergie. En s’inspirant de la nature, et tout particulièrement du cerveau, une solution alternative apparaît à travers les réseaux de neurones artificiels. Dans ce cadre, la réalisation de nano-composants, appelés memristors, qui miment la plasticité synaptique, permet grâce à leur taille nanométrique d’envisager la réalisation de réseaux neuronaux densément interconnectés. Dans ce travail de thèse, notre intérêt est porté sur la réalisation d’un tel composant, défini comme une nano-résistance variable et non-volatile, et dont le fonctionnement repose sur le principe de la spintronique (ou l’utilisation du spin des électrons comme vecteur d’information), qui présente les avantages de compatibilité avec les technologies actuelles (CMOS, MRAM, …etc). En utilisant une jonction tunnel magnétique, le concept de memristor spintronique repose sur le déplacement d’une paroi de domaine magnétique par transfert de spin, où chaque position de paroi défini un état de résistance intermédiaire. Afin de maitriser les variations de résistance du dispositif memristif spintronique, l’étude des propriétés statiques et dynamiques de la paroi de domaine sous l’influence d’un courant polarisé en spin est requise. Grâce à l’étude du déplacement et de la résonance de la paroi dans des systèmes à aimantations planaires, comprenant un nombre limité de 3 états intermédiaires de résistance, nous avons pu établir un premier bilan (temps de commutation du dispositif inférieur à la nanoseconde et mis en avant d’un phénomène de ‘sur-amortissement’). En s’appuyant sur ces travaux préliminaires, nous avons par la suite optimisé des jonctions tunnel magnétiques à aimantations perpendiculaires, pour lesquels d’une part le nombre d’états intermédiaires de résistance se voit fortement augmenter (entre 15 et 20 états), autorisant l’utilisation de ce dispositif memristif spintronique pour la réalisation de tâches neuromorphiques. D’autre part, ce dispositif est optimisé pour exploiter le couple de transfert de spin le plus efficace afin de déplacer la paroi de domaine. / In the current context of information technology, the sequential processing carried out by classical computer architectures stumbles on problems of energy consumption. Inspired by nature, especially the brain, an alternative solution appears through artificial neural networks. In this background, the realization of nano-components, called memristors, which mimic synaptic plasticity, enables to consider achieving densely interconnected neural networks due to their small size. In this work, our focus is on the realization of such a component, defined as a tunable and non-volatile nano-resistor, and which operation is based on the principle of spintronics (use of the spin of electrons as information vector), which has the advantages of compatibility with current technologies (CMOS, MRAM …etc). By using a magnetic tunnel junction, the concept of the spintronic memristor is based on the motion of a magnetic domain wall by spin transfer effect, where each wall position defines an intermediate resistance state. In order to control the resistance of this spintronic memristive device, the study of static and dynamic properties of the domain wall under the influence of a spin polarized current is required. By the study of the displacement and resonance of the wall whithin an in-plane magnetized device, we established a first assessment (commutation time of the device below one nanosecond and observation of an over-damping). Based on these preliminary studies, we then optimized magnetic tunnel junctions with out-of-plane magnetizations. On one hand, we show that the number of intermediate resistance states is strongly increased (between 15 and 20 states), allowing this spintronic memristive device to be used to perform neuromorphic tasks. Furthermore, we show that the device is optimized to use the most efficient spin transfer torque to displace the magnetic domain wall.

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Neste trabalho procura-se compreender o comportamento das configurações magnéticas presentes em objetos micrométricos e filmes finos. Estes estudos foram realizados principalmente através de microscopia de força magnética (MFM) e do efeito Kerr magneto-ótico (MOKE). Foi também desenvolvido um procedimento para a obtenção de curvas de histerese a partir de imagens de microscopia MOKE. Para definir o tamanho e a geometria dos objetos empregaram-se as técnicas de litografia por feixe de luz e por feixe de elétrons, e depois para a deposição do material de Co e CoFeSiB amorfo, se fez uso do magnetron sputering. O material assim obtido foi analisado para determinar suas propriedades magnéticas por meio das técnicas do MOKE, magnetrometria de amostra vibrante (VSM), MFM, e microscopia de força atômica (AFM) para o estudo da morfologia dos objetos. Os resultados do MFM e sua interpretação foram apoiados por simulações da estrutura magnética usando o programa Mumax3. Além disso foram analisados as relações entre as propriedades magnéticas e cristalografias de um material de Fe6%Si por médio das imagens MOKE e as imagens de EBSD. As medidas das curvas de histereses por VSM foram feitas em filmes preparados nas mesmas condições dos objetos litografados. Elas mostram que não há eixo anisotropia preferencial, portanto, não apresentam uma direção preferencial de magnetização. Com base nas medidas do MFM se encontrou que os objetos de Co policristalino apresentam configurações de estrutura de domínios magnéticos complexas, diferentes comparativamente do material magneticamente mais mole de CoFeSiB amorfo. Isto se deve as diferenças entre os dois materiais, na anisotropia magnética e magnetostricção. As diferentes geometrias dos objetos estudados apresentaram configurações magnéticas diferentes entre si, fato este, determinado principalmente pela anisotropia de forma. As semelhanças entre objetos da mesma geometria, mas de diferentes materiais mostraram fortes semelhanças, porém com a presença de perturbações locais no caso de Co. O material mole, amorfo, apresenta estados magnéticos ideais e simples, isto é, as tensões mecânicas residuais não geram perturbações magnéticas neste material de baixa magnetostricção. Além disto, nos objetos quadrados a presença de paredes de domínio do tipo cross-tie tem lugar sob certas condições, tendo a espessura do objeto como principal parâmetro. Estes resultados para a parede do tipo cross-tie foram vistos também em simulações micromagnéticas feitas no programa Mumax3. As estruturas magnéticas foram simuladas, com boa similaridade para a amostra de CoFeSiB, mas encontrou-se discordâncias no caso da amostra de Co, estas discordâncias foram analisadas e se estabeleceu as possíveis causas em cada geometria. / In this work the aim is to understand the behavior of the magnetic configurations present in micrometric objects and thin films. This study was developed through the use of magnetic force microscopy (MFM) and magneto-optical Kerr effect (MOKE). Another development was the use of MOKE microscopy images to obtain hysteresis curves. To define the size and geometry of the objects were used laser beam and electron beam lithography techniques, and for the deposition of Co and amorphous CoFeSiB materials was used magnetron sputtering. The produced samples were analyzed to determine its magnetic properties by MOKE, vibrating sample magnetometer (VSM), MFM, and atomic force microscopy (AFM) technique for the study of the object morphology. The results of the MFM and its interpretation were supported by simulations of the magnetic structure using the Mumax3 software. The measurements of the hysteresis loops by VSM were made on films produced under the same conditions of the lithographed objects. They show that there was no overall preferential anisotropy on the surface, this shows the absence of anisotropy in the deposition of the grains, in the case of Co, and therefore do not present a preferential direction of magnetization. Based on the MFM measurements, the polycrystalline Co objects were found to have different configurations compared to the amorphous CoFeSiB magnetically soft material. This is due to the differences in magnetic anisotropy and magnetostriction. The different geometries of the studied objects presented different magnetic configurations between them, this fact is determined mainly by the shape anisotropy. The similarities between objects of the same geometry but of different materials showed strong similarities with the presence of local perturbations in the case of Co. The magnetically soft amorphous material presents ideal and simple magnetic states, due to the fact the residual mechanical stresses do not generate disturbances in this low magnetostriction material. By the other side, in the square objects the presence of cross-tie domain walls takes place under certain conditions, where the thickness of the magnetic object is the main parameter. This kind of domain wall is also seen on the micromagnetic simulations developed using the Mumax3 software. The magnetic structures were simulated with good similarity to the amorphous CoFeSiB sample, but disagreements were found in the case of the Co sample. These disagreements were analyzed and the possible causes in each geometry were established.

Pendant les deux dernières décennies, la manipulation des parois de domaines est devenuel'une des parties inamovibles de la spintronique. L'interaction entre les électrons deconduction polarisés en spin et les moments magnétiques localisés en termes demagnétorésistance géante en 1988 et en termes de couple de transfert de spin en 1996, a lancéune avalanche de travaux expérimentaux sur la dynamique de l’aimantation induite par uncourant polarisé. Malgré les recherches très intensives dans ce domaine, de nombreusesquestions fondamentales restent sans réponse. Par exemple, l'origine des paramètresphénoménologiques alpha et bêta, étant au coeur de la description de la dynamique del'aimantation, n'est pas entièrement comprise. Habituellement, dans les systèmes étudiésexpérimentalement les paramètres micromagnétiques sont fixés, de sorte qu'il est impossiblede vérifier leur rôle dans la dynamique de l'aimantation. Par exemple, un changement d’unparamètres tel que l’aimantation ou le moment angulaire, la largeur de paroi de domaine, etc,pourrait éclaircir la compréhension de la dynamique de parois induite par du champ ou decourant. Dans la première partie de mon travail que je vais décrire un alliage de Gd1-xCoxavec un gradient de composition (et donc d’aimantation). La composition de l’alliage estchoisi de façon que une interface magnétique compensée est présente dans nos couchesminces. Une telle couche mince sert de système modèle idéal avec un changement continu d’aimantation à une température constante. Ce système fait l'objet d'une étude sur la dynamiquede l'aimantation induite par le courant electrique, le champ magnétique et la lumière. Dans laseconde partie de l'ouvrage des tricouches Pt/Co/AlOx, un système déjà montré être adapté àla manipulation des parois de domaines rapide et reproductible, est étudiée. J'ai testéexpérimentalement et prouvé l'hypothèse reliant le rendement du couple de transfert de spin àle présence d’un champ magnétique transverse ayant pour origine l’effet Rashba auxinterfaces du cobalt. / Within the last two decades, domain wall manipulation became one of the undetachable partsof spintronics. The interaction between spin-polarized conduction electrons and localizedmagnetic moments in terms of giant magnetoresistance in 1988 and in terms of spin-transfertorque in 1996, launched an avalanche of experimental work on current-inducedmagnetization dynamics. Despite the very intensive research in this field, many fundamentalquestions stay unanswered. For example, the origin of the phenomenological parameters alphaand beta, being at the heart of the description of the magnetization dynamics, is not fullyunderstood. Usually, in the experimentally studied systems the micromagnetic parametersare fixed, so that it is impossible to verify their role in magnetization dynamics. For example,changing parameters like magnetization or angular momentum, domain wall width, etc.,would shed more light on the understanding of the field- or current-induced domain walldynamics process. In the first part of my work I will describe an alloy of Gd1-xCox with acomposition, i.e. magnetization, gradient. The alloy composition is chosen in a way that amagnetically compensated interface is present in our thin films. Such a thin film serves as anideal model system with a continuous change of magnetization at a constant temperature. Thissystem is the subject of a study of field- current- and light-induced magnetization dynamics.In the second part of the work, Pt/Co/AlOx trilayer, a system already shown to be suitable forfast and reproducible domain wall manipulation is studied. I experimentally tested and provedthe hypothesis connecting the spin-transfer torque efficiency with a transverse magnetic fieldhaving as origin the Rashba field at the Co interfaces.

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)

In dieser Doktorarbeit wird die Magnetisierungsdynamik von strukturierten, weichmagnetischen Einzelschichten aus Permalloy (Ni81Fe19) mittels stroboskopischer Kerrmikroskopie untersucht. Die Dicke der in unterschiedliche Formen (Kreise, Quadrate und Rechtecke) strukturierten magnetischen Schicht beträgt 50 nm bzw. 160 nm. Durch die Verwendung eines gepulsten Lasers als Beleuchtungsquelle wird eine Zeitauflösung erreicht, die unter 25 ps liegt. Parallel zu den Laserpulsen wird die Probe mit gepulsten Magnetfeldern angeregt und die Reaktion der Magnetisierung auf diese schnellen Magnetfeldänderungen wird untersucht. Diese Reaktion der Magnetisierung unterscheidet sich deutlich von einer Anregung mit quasistatischen Magnetfeldern. Durch die stroboskopische Beobachtungsweise sind nur reversible Prozesse sichtbar, irreversible Prozesse werden durch die Mittelung über mehrere Millionen Anregungs- und Beobachtungspulse nicht abgebildet. Dies wird bei der Anregung eines Vortex in einer Kreisscheibe deutlich, bei dem die Magnetisierungsrichtung im Vortexkern durch das gepulste Magnetfeld teilweise geschaltet wird. Dadurch ändert sich der Drehsinn der spiralförmigen Relaxationsbewegung des Vortex, was zu einer Überlagerung der beiden Bewegungen während der Beobachtung führt. Desweiteren wird eine Vervielfältigung von Vortex-Antivortex Paaren in Stachelwänden durch hochfrequente Felder gezeigt. Diese Vervielfältigung führt zur Erzeugung eines neuen, metastabilen Zustandes mit geringerem Stachelabstand. Mit steigender Frequenz des Feldes fällt der Stachelabstand bis auf 30 % des Ausgangswertes. Ab einer Grenzfrequenz, die durch die ferromagnetische Resonanz gegeben ist, kann die Magnetisierung dem Feld nicht mehr folgen und die Wandstruktur ist vergleichbar mit der im quasistatischen Grenzfall. Auch in dickeren Elementen wird diese Erzeugung beobachtet, wo sie zu einer irreversiblen Wandtransformation von der asymmetrischen Blochwand zur Stachelwand führt. Bei der Pulsanregung eines Landau-Domänenzustandes in einem Quadrat kommt es zur Bildung von sichelartigen Domänen an den Ecken des Quadrates. Die Entstehung dieser Domänen geschieht relativ schnell innerhalb einer Nanosekunde. Während der Relaxation der Magnetisierung lösen sich diese neu entstandenen Domänen durch Wandverschiebung wieder auf. Die Auflösung der Domänen geschieht deutlich langsamer als die Entstehung, was durch die unterschiedlichen Mechanismen, die bei der Entstehung (Magnetisierungsdrehung) und Auflösung (Wandverschiebung) der Domänen involviert sind, begründet werden kann. Außerdem kommt es zu einer inkohärenten Drehung der Magnetisierung in der Domäne mit antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierung bezüglich des Pulsfeldes. Diese Drehung der Magnetisierung, lateral abwechselnd nach links und rechts, wird durch eine leichte Abweichung der Magnetisierung von einer perfekt homogenen Ausrichtung begünstigt.

This thesis discusses two different magnetic materials: epitaxial yttrium iron garnet (YIG) and heteromorphous CoFeB-SiO2 films. YIG films were grown by pulse laser deposition (PLD) techniques onto gadolinium gallium garnet (GGG) substrates of (111) and (001) crystal orientations. Using stoichiometric and overstoichiometric ablative targets, we developed two types of YIG submicron films. The films grown from overstoichiometric targets have magnetic properties slightly different from standard liquid phase epitaxy (LPE) YIGs. They also demonstrate good substrate matching and approximately 6% nonstoichiometry. In contrary, films grown from stoichiometric targets posses surprisingly high values of uniaxial anisotropy, meanwhile cubic anisotropy is reduced several times. These films also reveal strong lattice distortions and nonstoichiometry around 17%. Employing Weiss molecular field theory and single-ion anisotropy model we determined the preferential occupancy of the octahedral [a] positions in the YIG cubic lattices by Fe3+ vacancies. The vacancies were found to be preferentially oriented along the growth direction perpendicular to the film surface. We called this effect “deformation blockade”. Different magnetostatic surface wave (MSSW) filters were also demonstrated. The filters employ high uniaxial anisotropy in YIG submicron films with magnetic losses ΔH ~ 1 Oe.  Heteromorphous CoFeB-SiO2 films were deposited onto glass substrates employing carrousel magnetron sputtering. This novel technique allows amorphous films fabrication with record high in-plane anisotropy. The induced anisotropy fields here are approximately dozen times greater the values achieved using conventional growth technique when external bias field is applied during deposition process. Interesting observations were made studying CoFeB-SiO2 magnetization dynamics in the wide frequency range from 500 kHz up to 15 GHz.  Two different anomalies of the magnetic susceptibility were found at the field of in-plane anisotropy Hp and critical field Hcr (0 < Hcr < Hp). We explained the anomalies appearance by sequence of the domain walls transformations so that Néel-Bloch-Néel domain wall transition stands for the instability at H = ±Hcr and transition from the uniformly magnetized state to the domain state with Néel domain wall and vice versa is responsible for the instability at H = ±Hp. / QC 20111122