Les développements récents des nanotechnologies ont permis d’accéder à des dimensions qui permettent d’’étudier les spins des électrons. Ceci ouvre la voie à l’utilisation du degré de liberté du spin des électrons dans des dispositifs électroniques de nouvelle génération. C’est l’origine d’un nouveau domaine de recherche prometteur baptisé spintronique.Dans ce travail, on présente des expériences dans le domaine de la spintronique en utilisant deux matériaux très prometteurs : les nanotubes de carbone (CNT) et le palladiumnickel (PdNi), un ferromagnet versatile dans le but de manipuler le spin électronique dans les deux régimes, classiques et quantiques. Une compréhension détaillée des caractéristiques magnétiques de PdxNi 100-x devient cruciale à la fois pour comprendre les caractéristiques de basculement d’un tel dispositif mais aussi pour optimiser ses propriétés électroniques.Une étude sur des structures micrométrique et nanométrique en PdNi a été menée grâce à des mesures de l’effet Hall extraordinaires (EHE sur des croix lithographiées). Les analyses montrent que la géométrie, l’épaisseur, la composition chimique ainsi que la couche de recouvrement, ont tous une influence sur l’aimantation des électrodes de PdNi, en particulier celles de taille nanométrique. Cela est dû à la relaxation des contraintes sur les bords qui devient important pour les dispositifs de petites dimensions.On met en place un point quantique connecté `a deux contacts ferromagnétiques non colinéaires (source et drain), évaporées sur le CNT; le nanotube est connecté à une tension de grille pendant qu’une source de tension source-drain est utilisée pour varier le potentiel chimiques des ferromagnets. Les électrodes sont conçues pour former un angle téta = Pi/2. On attend alors un comportement similaire à celui d’une vanne de spin, donc un effet fini de magnétorésistance à effet tunnel est à prévoir.Des mesures de transport de spin ont révélé un régime de blocage de Coulomb, confirmé par la spectroscopie de transport. Les régimes linéaires et non-linéaires ont été également testés.En régime linéaire, les résultats montrent un signal de TMR lorsqu’il est placé dans un champ qui est balayé, un comportement typique pour un dispositif vanne de spin. Dans le régime non linéaire, ont été obtenues des variations du signal d’hystérésis lorsque la polarisation change de signe. De plus, la TMR affiche un comportement presque antisymétrique avec la conductance. Les mesures réalisées pour différentes valeurs de la tension grille et celle source drain prouvent la non trivialité de ce comportement. Cette variation antisymétrique, qui a la même symétrie que le courant, indique un courant de spin induite par un phénomène de précession. Des simulations théoriques appuient également cette hypothèse: une combinaison de phénomènes d’accumulation de spin (induite par la polarisation en spin du courant) et des phénomènes de relaxation de spin (qui agissent contre la première catégorie) déterminent une précession du spin lors de son passage dans le nanotube. / Recent developments in the field of nanotechnology allowed the access to adequate length scale necesary to closely investigate spins and opened large prospects of using electrons spin degree of freedom in new generation electronic devices. This have lead to the development of a vibrant field dubbed spintronics.Here, we present experiments that combine two very promising materials: namely cardon nanotubes and palladium-nickel (PdNi), with the purpose to manipulate the electronic spin both in the classical and in the quantum regime. We implement a quantum dot connected to two non-collinear ferromagnetic leads that acts as a spin-valve device. The versatility of carbon nanotubes to fabricate quantum dots when connected to PdNi electrodes via tunneling barriers is combined with the particular transversal anisotropy of the PdNi when shaped in nanometric stripes.For devices exploiting actively the electronic spin, however control over classical or quantum spin rotations has still to be achieved. A detailed understanding of the magnetic characteristics of PdxNi 100-x alloy is crucial both for understanding the switching characteristics of such the spin-valve device and for optimizing its electronic properties. We present a magnetic study of Pd20Ni80 and Pd90Ni10 nanostripes by means of extraordinary Hall effect measurements, at low temperature, for various dimensions, thicknesses and capping films. In the case of Pd20Ni80, this experiment is a first at low temperature.The CNT-based device proposed here was tested both in linear and nonlinear transportregimes. While the linear spin dependent transport displays the usual signatures of electronicconfinement, the finite bias magnetoresistance displays an impressive magnetoresistance antisymmetric reversal in contrast with the linear regime. This effect can only be understood if electronic interactions are considered. It is accompanied by a linear dispersion of the zeromagnetoresistance point in the bias-field plane. Simulations based on a proposed model confirm a current induced spin precession, electrically tunable due to the quantum nature ofthe device.

Dans le domaine des couches minces (épaisseur~Å) associant un métal magnétique (Fe, Co, Ni) et un élément non magnétique (essentiellement métallique ou isolant), de remarquables propriétés physiques (aimantation, transport) nécessitent des caractérisations structurales fines. En particulier, citons le cas de jonctions tunnel (métal/isolant/métal) à aimantation perpendiculaire qui sont en cours d'étude au laboratoire Spintec (UMR8191 (CEA/CNRS/UJF). Ces nanomatériaux sont déposés par voie physique (pulvérisation cathodique) au sein de ce laboratoire. Ces nanostructures sont également sondées par diffraction aux rayons X au sein de l'Institut Néel (UPR 2940) via une collaboration entre Spintec et une équipe de cet Institut (Surface, interfaces et nanostructures du Département MCMF, Matière Condensée, Matériaux, et Fonctions). Ces mesures de réflectivité X constituent la sonde privilégiée de choix dans la cadre de cette thèse. D'autres voies sont également exploitées: à l'aide des moyens de rayonnement synchrotron tels que la spectroscopie d'absorption de rayons X : EXAFS, XANES et XMCD. La thèse aura pour but d'étudier expérimentalement ces phénomènes en couches continues sur ces empilements à jonction tunnel avec aimantation perpendiculaire. Plus précisément, le travail de thèse permettra de comprendre les mesures magnétiques (effectuées à l'institut Néel notamment par magnétométrie SQUID et HALL à basse température) grâce à une batterie de mesures structurales (diffraction aux rayons X, rasant, figures de pôles, réflectivité, absorption X ...). Notamment, l'influence des paramètres de dépôt (types de couches, épaisseurs, recuits) du matériau sont étudiées via la collaboration entre les différents groupes de recherche précédemment cités. Cette thématique s'inscrit d'une part dans le cadre de travaux menés à Spintec et dédiés à la recherche de nouveaux matériaux à forte valeur ajoutée industrielle (sur le stockage d'information à ultrahaute densité sur media discrets par exemple). Elle s'inscrit d'autre part dans le renforcement de liens entre recherches fondamentales (laboratoire propre du CNRS comme l'institut Néel) et appliquées (CEA), avec un recours aux solides compétences en caractérisations structurales et magnétiques de l'Institut Néel.

La loi de Moore est basée sur l’observation empirique qu’environ chaque deux années, le nombre de transistors dans des circuits denses intégrées double. Cette tendance s'est bien maintenue au cours des dernières décennies (années 1970 et suivantes). Cependant, la miniaturisation continue des transistors entraîne une augmentation significative des pertes d’énergie par le courant de fuite, ce qui augmente la consommation d'énergie de veille. Cette perte d’énergie est devenue un problème majeur dans la microélectronique pendant les dernières années, ce qui rend plus difficile le développement des nouvelles technologies. L’une des solutions est de placer des éléments mémoire non-volatile dans le puce, qui retiennent la configuration du transistor pendant la mise hors tension et permettent de le restaurer à la mise sous tension. Les Magnetic Random Access Memories (MRAM) sont considérées par l'ITRS comme un candidat crédible pour le remplacement potentiel de SRAM et de DRAM au-delà du nœud technologique de 20 nm. Bien que les exigences de base pour la lecture et l'écriture d'un élément de mémoire unique sont remplies, l'approche actuelle basée sur Spin Torque Transfer (STT) souffre d'un manque inné de la flexibilité. Le courant électrique entraine le retournement de l’aimantation de la couche ferromagnétique libre par le transfert du moment angulaire d’une couche ferromagnétique adjacent. Ainsi les éléments de mémoire basées sur STT ont deux terminaux dont les voies de courant pour « écriture » et « lecture » sont définies par la forme de «pillar». L’optimisation indépendant des paramètres d’écriture et de lecture reste, donc, très difficile. Au même temps, la densité de courant trop haute, nécessaire pour écrire, conduit à la vieillissement prémature du jonction tunnel. En conséquence, l’intégration MRAM dans la technologie du semi-conducteur reste, donc, difficile.Démonstrations récentes de reversement d’aimantation entrainées par l’injection d’un courant planaire dans des heterostructures métal lourd/ferromagnet ont attiré l’attention croissante sur les couples de spin basé sur le transfert du moment angulaire par l’effet Hall de spin et les effets d’interface. Contrairement à STT-MRAM, la SOT-MRAM a trois terminaux, dont les voies de courant pour « écriture » et « lecture » sont indépendantes. Cela permet d’améliorer les paramètres « écriture » et « lecture » de manière indépendante. Pour contrôler et optimiser les SOT il est nécessaire de comprendre très bien leur origine. Cela reste l’une des plus importantes questions dont on n’a pas une réponse définitive. Dans ce contexte, plusieurs études ont conclu sur un modèle basé seulement sur l’effet Hall de spin, en même temps que d’autres ont suggéré un modèle basé sur une contribution combiné de l’effet Hall de spin et l’effet d’interface.L’objectif de cette thèse est de réaliser une étude systématique sur les effets d’interface sur les SOT dans des heterostructures métal lourde/ferromagnet a base de Pt, avec aimantation planaire.Dans ce but, cette thèse explore trois voies différentes. Premièrement nous avons modifié le rapport entre les effets d’interface et les effets bulk en changeant l’épaisseur de la couche de Pt et en suivant l’évolution des SOT. En deuxième nous avons exploré des différents empilements métal lourde/ferromagnet afin d’étudier différentes interfaces. Finalement, nous avons changé les propriétés des interfaces soit par changer la structure cristalline soit par oxydation. La technique de mesure, la méthode d’analyse de données associé et les aspects théoriques nécessaires pour l’interprétation des données sont aussi détaillés dans ce manuscrit. / Moore’s law is based on empirical observation and states that every two years approximately, the number of transistors in dense integrated circuits doubles. This trend has held up well in the past several decades (1970s and onwards). However, the continuous miniaturisation of transistors brings about a significant increase in leakage current, which increases the stand-by power consumption. This energy loss has become a major problem in microelectronics during the last several years, making the development of new technologies more difficult. One of the solutions that can address this issue is to place non-volatile memory elements inside the chip, that retain the configuration of the transistor during power-off and allow to restore it at power-on. Magnetic Random Access Memories (MRAM) are considered by the ITRS as a credible candidate for the potential replacement for SRAM and DRAM beyond the 20 nm technological node. Though the basic requirements for reading and writing a single memory element are fulfilled, the present approach based on Spin Transfer Torque (STT) suffers from an innate lack of flexibility. The electric current drives the magnetization switching of a free ferromagnetic layer by transferring angular momentum from an adjacent ferromagnet. Therefore, STT-based memory elements are two terminal devices in which the “pillar” shape defines both the “read” and the “write” current paths. Independent optimisation of the reading and writing parameters is therefore difficult, while the large writing current density injected through the tunnel barrier causes its accelerated ageing, particularly for fast switching. Consequently, the integration of MRAM into semiconductor technology poses significant difficulties.Recent demonstrations of magnetization switching induced by in-plane current injection in heavy metal (HM)/ferromagnet (FM) heterostructures have drawn increasing attention to spin-torques based on orbital-to-spin momentum transfer induced by Spin Hall and interfacial effects (SOTs). Unlike STT-MRAM, the in-plane current injection geometry of SOT-MRAM allows for a three-terminal device which decouples the “read” and “write” mechanisms, allowing the independent tuning of reading and writing parameters. However, an essential first step in order to control and optimise the SOTs for any kind of application, is to better understand their origin. The origin of the SOTs remains one of the most important unanswered questions to date. While some experimental studies suggest a SHE (Spin Hall Effect)-only model for the SOTs, others point towards a combined contribution of the bulk (SHE) and interface (Rashba Effect and Interfacial SHE). At the same time, many studies start with a SHE only hypothesis and do not consider interfacial effects. Furthermore, there are not so many systematic studies on the effects of interfaces. This thesis tries to fill in this gap, by providing a systematic study on the effects of interfaces on the SOTs, in Pt-based NM/FM/HM multilayers with in-plane magnetic anisotropy. For this purpose, this thesis explores three different, but related avenues. First, we changed the interface/bulk effect ratio by modifying the Pt thickness and following the evolution of the SOTs. Second, we explored different HM/FM/NM combinations, in order to study different interfaces. And third, we changed the properties of the interfaces by changing the crystallographic structure of the interface and by oxidation. The measurement technique and associated data analysis method, as well as the theoretical considerations needed for the interpretation of the results are also detailed in this manuscript.

Dans le domaine des couches minces (épaisseur~Å) associant un métal magnétique (Fe, Co, Ni) et un élément non magnétique (essentiellement métallique ou isolant), de remarquables propriétés physiques (aimantation, transport) nécessitent des caractérisations structurales fines. En particulier, citons le cas de jonctions tunnel (métal/isolant/métal) à aimantation perpendiculaire qui sont en cours d'étude au laboratoire Spintec (UMR8191 (CEA/CNRS/UJF). Ces nanomatériaux sont déposés par voie physique (pulvérisation cathodique) au sein de ce laboratoire. Ces nanostructures sont également sondées par diffraction aux rayons X au sein de l'Institut Néel (UPR 2940) via une collaboration entre Spintec et une équipe de cet Institut (Surface, interfaces et nanostructures du Département MCMF, Matière Condensée, Matériaux, et Fonctions). Ces mesures de réflectivité X constituent la sonde privilégiée de choix dans la cadre de cette thèse. D'autres voies sont également exploitées: à l'aide des moyens de rayonnement synchrotron tels que la spectroscopie d'absorption de rayons X : EXAFS, XANES et XMCD. La thèse aura pour but d'étudier expérimentalement ces phénomènes en couches continues sur ces empilements à jonction tunnel avec aimantation perpendiculaire. Plus précisément, le travail de thèse permettra de comprendre les mesures magnétiques (effectuées à l'institut Néel notamment par magnétométrie SQUID et HALL à basse température) grâce à une batterie de mesures structurales (diffraction aux rayons X, rasant, figures de pôles, réflectivité, absorption X …). Notamment, l'influence des paramètres de dépôt (types de couches, épaisseurs, recuits) du matériau sont étudiées via la collaboration entre les différents groupes de recherche précédemment cités. Cette thématique s'inscrit d'une part dans le cadre de travaux menés à Spintec et dédiés à la recherche de nouveaux matériaux à forte valeur ajoutée industrielle (sur le stockage d'information à ultrahaute densité sur media discrets par exemple). Elle s'inscrit d'autre part dans le renforcement de liens entre recherches fondamentales (laboratoire propre du CNRS comme l'institut Néel) et appliquées (CEA), avec un recours aux solides compétences en caractérisations structurales et magnétiques de l'Institut Néel. / In the domain of thin film (thickness ~ Å) combining a magnetic metal (Fe, Co, Ni) and a non-magnetic (largely metal or insulator), remarkable physical properties (magnetization, transport) require fine structural characterization. In particular, include the case of tunnel junctions (metal / insulator / metal) with perpendicular magnetization which are being studied in the laboratory Spintec (UMR8191 (CEA / CNRS / UJF). These nanomaterials are deposited by physical (sputtering) in this laboratory. These nanostructures are probed by X-ray diffraction in the Neel Institute (UPR 2940) via collaboration between Spintec and a team of the Institute (Surface, Interfaces and Nanostructures Department MCFP, Condensed Matter Materials and Functions). These reflectivity measurements X are the preferred sensor of choice in the context of this thesis. Other routes are also used: using means such as synchrotron radiation absorption spectroscopy X-ray: EXAFS, XANES and XMCD. The thesis will aim to study these phenomena experimentally in continuous layers on the tunnel junction stacks with perpendicular magnetization. Specifically, the thesis will include the magnetic measurements (performed at the Institut Néel SQUID magnetometry including HALL and low temperature) through a battery of structural. This theme is part of a share in the context of work carried Spintec and dedicated to research of new materials with high added value industries (information storage on ultra-high density of discrete media for example). It registers on the other hand in strengthening links between basic research (CNRS own laboratories as Neel Institute) and applied (ECA), with strong skills in use of structural and magnetic characterization of the Institute Neel.