Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées sont des systèmes modèles permettant de confronter l’expérience à la théorie de l’effet tunnel polarisé en spin. Celles à barrière de MgO(001) font à ce titre l’objet de nombreuses études, dont certaines ont permis d’établir expérimentalement l’existence de phénomènes tunnel cohérents dépendant de la symétrie des états de Bloch. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à identifier et contrôler plusieurs propriétés des interfaces, de la barrière et des électrodes qui s’expriment dans le transport tunnel. Nous étudions les conséquences d’un excès d’oxygène à l’interface Fe/MgO dans les jonctions Fe/MgO/Fe(001). La réalisation d’un empilement modèle Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) nous permet de confirmer certains effets attendus, notamment la formation d’une barrière additionnelle à l’interface pour les états de symétrie ?1. Cependant, et contre toute attente, la magnétorésistance dépend peu de la présence d’oxygène. Elle est en revanche très sensible à la qualité cristallographique des interfaces. Nous démontrons ainsi les influences néfastes du désordre et du désaccord paramétrique entre la barrière de MgO et l’électrode sous-jacente. L’emploi d’alliages Fe V de composition variable permet de réduire le désaccord paramétrique et de diminuer la densité de dislocations, ce qui conduit à une forte augmentation de la magnétorésistance. Nous étudions enfin comment les structures électroniques des alliages Fe Co et Fe V se manifestent dans le transport tunnel. Des mesures de photoémission résolue en spin nous permettent de sonder directement les bandes ? et les états de résonnance interfaciale des surfaces (001) libres ou recouvertes de MgO. / Epitaxial magnetic tunnel junctions are model systems in order to test the spin polarized tunnel effect theory. MgO(001) based junctions are thus subject of many studies. Some of them experimentally established the existence of coherent tunnelling involving the symmetry of Bloch states. However quantitatively, characteristics of real junctions strongly deviate from predictions. The role of imperfections in the barrier and at the interfaces is suspected but the current knowledge of dominant mechanisms is still limited. This thesis experiments aim at identifying and controlling several properties of the interfaces, of the barrier and of the electrodes which influence tunnelling. We study the consequences of an excess of oxygen at the Fe/MgO interface in Fe/MgO/Fe(001) junctions. Preparing a model Fe/p(1×1) O/MgO/Fe(001) stacking allows us to confirm some expected effects, namely the appearance of an additionnal potential barrier at the interface for states with ?1 symmetry. However, and unexpectedly, the magnetoresistance little depends on the presence of oxygen. On the other hand, it is very sensitive to the crystallographic quality of interfaces. We show evidence for the detrimental influence of disorder and of the misfit between the MgO barrier and the supporting electrode. Using Fe V alloys with variable composition allows us to reduce the misfit and the dislocations density, which in turn induces a great enhancement of the magnetoresistance. We finally investigate how the electronic structures of Fe Co and Fe V alloys express themselves in tunnelling. In addition, we probe by spin resolved photoemission the ? bands and interfacial resonance states of free and MgO covered (001) surfaces.

Les mémoires magnétiques à accès aléatoires (ou MRAM) sont récemment entrées en production. Ce travail de thèse vise à évaluer et caractériser les problèmes potentiels de fiabilité dus à l'introduction de la partie magnétique dans les mémoires MRAM. <br /> Je décris tout d'abord en détail les principes physiques à la base du fonctionnement aussi bien électrique que magnétique des jonctions tunnels magnétiques qui sont au cœur des mémoires magnétiques. Je me suis attachée à chaque étape à identifier les nouveaux facteurs susceptibles d'intervenir dans la fiabilité (par rapport à un processus CMOS classique), en essayant de donner une évaluation quantitative de leur impact éventuel.<br /> Sur cette base, j'ai essayé d'établir et de tester un procédé de caractérisation d'un effet critique de la MRAM : la non-volatilité, qui puisse ensuite être utilisé sur des éléments isolés d'un wafer comme point de vérification de la qualité magnétique du circuit. Nous avons choisi de comparer des calculs de barrière d'énergie à une mesure réelle de la barrière sur des échantillons élaborés dans le cadre de l'Alliance Crolles 2.<br /> Enfin, j'ai mené une étude sur un autre type de structure de mémoires magnétiques faisant intervenir un déplacement de parois magnétiques à l'aide d'un courant. Cette étude visait à estimer, une fois encore, la barrière énergétique de ces nouvelles structures. Nous avons essayé de démontrer qu'elles seraient une perspective intéressante pour la miniaturisation des mémoires magnétiques.

Une Jonction Tunnel Magnétique (JTM) est composée de deux couches minces métalliques ferromagnétiques (cobalt, fer, nickel) séparées par une barrière isolante ultramince (alumine) dans sa forme la plus simple. Cette structure a évolué depuis la première Magnéto Résistance Tunnel (MRT) à température ambiante en 1995. Actuellement, les jonctions tunnel magnétiques sont utilisées par la nouvelle génération de mémoires vives magnétiques (MRAM) et par les têtes de lecture des disques durs.<br /> Cette étude présente l'élaboration de jonctions Co/Al2O3/Co/Ni80Fe20 par pulvérisation ionique. On veut ainsi démontrer la potentialité de cette technique de dépôt, qui est peu utilisée dans ce domaine. La mesure de la Magnéto Résistance Tunnel a été effectuée selon deux méthodes. La première méthode a nécessité le développement d'un procédé de structuration réalisé en salle blanche, afin d'élaborer les contacts électriques nécessaires à la mesure. La deuxième méthode repose sur la technique appelée CIPT (Current In Plane Tunneling). Cette deuxième technique présente l'avantage de ne nécessiter aucune structure particulière. Les résultats obtenus ont conduit à des simulations de pulvérisation ionique, effectuées à l'aide du logiciel SRIM 2003. Elles permettront à terme d'optimiser les conditions d'élaboration des films minces.

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.

Les mémoires magnétiques à couple de transfert de spin (STTRAM) sont des mémoires vives non-volatiles et endurantes très prometteuses pour remplacer les mémoires à base de condensateurs. Cependant, pour les technologies actuelles de STTRAM à aimantation planaire ou hors-du-plan, le temps de commutation est limité à 10 ns car le processus de renversement de l'aimantation est stochastique, déclenché par les fluctuations thermiques. Dans l'optique de rendre la commutation déterministe et plus rapide, une approche consiste à ajouter à la jonction tunnel magnétique une autre couche polarisante en spin, avec une aimantation orthogonale à celle de la couche de référence. Nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux jonctions tunnels magnétiques planaires avec un polariseur perpendiculaire (à aimantation hors du plan). Le STT du polariseur perpendiculaire amorce le retournement d'aimantation, mais il provoque aussi des oscillations de la résistance de la jonction entre ses valeurs extrêmes. Cette particularité est mise à profit pour la réalisation de nano-oscillateurs (STO). Dans cette thèse, la dynamique d'aimantation du système comprenant une couche libre planaire, une couche de référence planaire et un polariseur perpendiculaire est étudiée, aussi bien expérimentalement que théoriquement (analytiquement et en simulations), dans l'approximation de macrospin. Dans le cas d'une couche libre oscillante sous l'action du STT du polariseur perpendiculaire, une description précise de ces oscillations est présentée, dans laquelle le champ d'anisotropie, le champ appliqué et le STT de la couche de référence planaire sont traités en perturbations. Dans le cas d'une couche libre ferrimagnétique synthétique (SyF), les expressions analytiques des courants critiques et des équations du mouvement sont calculées et comparées aux simulations. Ces résultats sont ensuite utilisés pour réaliser le diagramme de phase du système complet. L'anisotropie uni-axiale joue un role important, ce qui est confirmé par des mesures de retournement en temps réel réalisées sur des échantillons de nano-piliers à base de MgO. L'influence relative des STT provenant de la couche de référence et du polariseur perpendiculaire peut être ajsutée en jouant sur le rapport d'aspect des cellules, ce qui permet d'obtenir un retournement controlé en moins d'une nanoseconde avec une STTRAM.

Cette thèse est consacrée à l'intégration d'un polariseur à anisotropie perpendiculaire dans une jonction tunnel magnétique aux aimantations planaires. Par effet du transfert de spin venant du polariseur perpendiculaire, il est possible d'induire des oscillations de l'aimantation de la couche libre. Ces oscillations ultra-rapides de l'ordre de la picoseconde, peuvent être utilisées comme mode d'écriture dans une cellule magnétique MRAM. Ce type d'écriture est appelée écriture précessionnelle. Nous avons optimisé des structures fonctionnelles tout en gardant des bonnes qualités électriques et magnétiques. Les tests d'écriture sur des nanopiliers ont permis de valider le concept d'écriture précessionnelle ouvrant ainsi une porte à la compréhension des différents phénomènes liés au transport tunnel et à la dynamique de l'aimantation.

Depuis 2004, les composants radiofréquence (RF) suscitent un intérêt croissant au sein de la communauté spintronique, tant du point de vue de la physique fondamentale que des applications potentielles. Ces composants ont émergé suite à la découverte du couple de transfert de spin (STT) qui permet d'exciter l'aimantation grâce à un courant électrique. Dans ce contexte, j'ai étudié des oscillateurs à vortex basés sur des jonctions tunnel magnétiques à très faible résistance dans lesquelles un vortex magnétique suit un mouvement périodique dû au STT.On observe des oscillations de ce vortex lorsque la jonction est polarisée par un large courant dc sous un faible champ planaire. En effet, le courant produit à la fois un fort champ d'Ampère, qui contribue à la nucléation du vortex, et génère le STT qui met le vortex en mouvement. Grâce à l'oscillation du vortex, ces composants émettent un signal RF d'une forte puissance (jusqu'à 20nW) avec une fréquence naturelle d'environ 450MHz.J'ai étudié la synchronisation de ces oscillateurs en injectant, en plus courant continu, une excitation RF. Lorsque ce signal d'excitation est suffisamment puissant, l'oscillateur se verrouille sur la source externe. On observe une diminution du bruit autour du pic fondamental et une augmentation de l'amplitude de celui-ci. J'explique ces observations en modélisant le système en tant qu'oscillateur paramétrique. Cette modélisation permet de décrire certains phénomènes observés expérimentalement, comme le fait qu'il est plus facile d'atteindre le régime d'instabilité dynamique quand la fréquence de l'excitation est égale à deux fois la fréquence naturelle de l'oscillateur.Ensuite, j'ai réalisé une expérience de modulation de fréquence (FM), en excitant l'échantillon avec une onde RF à basse fréquence. L'expérience consiste à mesurer la densité spectral de puissance du signal tout en balayant la fréquence de l'onde de modulation et ceci à différente puissance. Il apparait alors que la description usuelle de la FM ne puisse plus être utilisée dans notre cas, car la fréquence de modulation est trop grande par rapport à la fréquence naturelle. Cela est dû au fait que le vortex met un certain temps à répondre à une excitation. Pour expliquer mes mesures, j'ai donc dû introduire le concept de sensibilité à la déviation, qui correspond à la dépendance de la fréquence de l'oscillateur avec le courant quand celui-ci varie périodiquement. / Since 2004, research on radiofrequency (RF) spintronic devices has been very active, both from a fundamental point of view as well as for their potential applications as RF oscillators or spin-diodes. These devices are based on spin transfer torque (STT). In this context, I studied vortex oscillators based on ultra-low resistance magnetic tunnel junctions in which vortex dynamics is driven into a periodic motion by STT. The vortex oscillations are observed when the junction is subjected to a large dc bias current and a low in-plane field. The dc current produces both a large Oersted field which contributes to the vortex nucleation and a STT that starts the vortex oscillation. This oscillation leads to a large output power up to 20nW with a fundamental frequency around 450MHz and many harmonics.Synchronization with an external signal was then tested by adding a RF current to the dc bias current. With a large enough input power, the oscillator locks on the external source: the noise is then drastically reduced and the spectral purity of the signal significantly increases. These observations are explained by describing the system as a parametric oscillator. This model predicts, as experimentally observed, that, for a small amplitude of the RF excitation, a dynamical instability can be more easily reached when its frequency is twice the natural frequency of the oscillator than for any other frequencies.Then, I performed frequency modulation measurements by exciting the dc-biased sample with a low frequency ac-current. The power spectral density was measured as I swept the modulation frequency for various modulation powers. It appears that the description previously used to describe modulation experiments does not apply when the modulation frequency is a significant fraction of the natural frequency. The vortex response time appears to play a significant role, so that the concept of deviation sensitivity has to be introduced to explain the observations: it corresponds to the dynamical dependence of the oscillator frequency with an applied current that varies with time.

Les mémoires magnétiques à couple de transfert de spin (STTRAM) sont des mémoires vives non-volatiles et endurantes très prometteuses pour remplacer les mémoires à base de condensateurs. Cependant, pour les technologies actuelles de STTRAM à aimantation planaire ou hors-du-plan, le temps de commutation est limité à 10~ns car le processus de renversement de l'aimantation est stochastique, déclenché par les fluctuations thermiques. Dans l'optique de rendre la commutation déterministe et plus rapide, une approche consiste à ajouter à la jonction tunnel magnétique une autre couche polarisante en spin, avec une aimantation orthogonale à celle de la couche de référence. Nous nous sommes intéressé plus particulièrement aux jonctions tunnels magnétiques planaires avec un polariseur perpendiculaire (à aimantation hors du plan). Le STT du polariseur perpendiculaire amorce le retournement d'aimantation, mais il provoque aussi des oscillations de la résistance de la jonction entre ses valeurs extrêmes. Cette particularité est mise à profit pour la réalisation de nano-oscillateurs (STO). Dans cette thèse, la dynamique d'aimantation du système comprenant une couche libre planaire, une couche de référence planaire et un polariseur perpendiculaire est étudiée, aussi bien expérimentalement que théoriquement (analytiquement et en simulations), dans l'approximation de macrospin. Dans le cas d'une couche libre oscillante sous l'action du STT du polariseur perpendiculaire, une description précise de ces oscillations est présentée, dans laquelle le champ d'anisotropie, le champ appliqué et le STT de la couche de référence planaire sont traités en perturbations. Dans le cas d'une couche libre ferrimagnétique synthétique (SyF), les expressions analytiques des courants critiques et des équations du mouvement sont calculées et comparées aux simulations. Ces résultats sont ensuite utilisés pour réaliser le diagramme de phase du système complet. L'anisotropie uniaxiale joue un role important, ce qui est confirmé par des mesures de retournement en temps réel réalisées sur des échantillons de nano-piliers à base de MgO. L'influence relative des STT provenant de la couche de référence et du polariseur perpendiculaire peut être ajsutée en jouant sur le rapport d'aspect des cellules, ce qui permet d'obtenir un retournement controlé en moins d'une nanoseconde avec une STTRAM. / Spin-transfer torque magnetic random-access memory (STTRAM) are very promising non-volatile and enduring memories to replace charged-based RAM. However, in conventional in-plane or out-of-plane STTRAM technologies, the switching time is limited to about 10~ns because the reversal process is stochastic i.e. it is triggered by thermal fluctuations. In order to render the reversal deterministic and faster, an approach consists in adding to the magnetic tunnel junction (MTJ) stack another spin-polarizing layer whose magnetization is orthogonal to that of the MTJ reference layer. We particularly investigated the case where a perpendicular polarizer is added to an in-plane magnetized tunnel junction. The STT from the perpendicular polarizer initiates the reversal, but it also creates oscillations of the resistance between its two extremal values. This behavior is usually interesting to realize STT nano-oscillators (STO). In this thesis, the dynamics of the system comprising an in-plane free layer, an in-plane reference layer and a perpendicular polarizer is studied both experimentally and theoretically (analytically and by simulations) in the framework of the macrospin approximation. For a single layer free layer oscillating due to the STT of the perpendicular polarizer, an accurate description of the oscillations is presented, in which the anisotropy field, the applied field and the in-plane STT are treated as perturbations. In the particular case of a synthetic ferrimagnetic (SyF) free layer, analytical expressions of the critical currents and of the oscillations equation of motion are computed and compared to simulations. These results are used to determine the phase diagram of the complete system. The in-plane anisotropy field is found to play a dramatic role, which is confirmed by experimental data from real-time measurements on MgO-based nano-pillars. It is shown that the cell aspect ratio can be used to tune the relative influence of the STT from the in-plane reference layer and from the out-of-plane polarizer. This allows achieving well controlled sub-nanosecond switching in STTRAM.

Cette thèse porte sur l’étude des effets de la lumière sur une jonction tunnel magnétique (JTM). Une JTM est constituée d’une couche isolante d’épaisseur nanométrique située entre deux couches magnétiques. Lorsqu’un courant électrique est injecté dans une telle structure, une tension apparaît. Cette tension dépend de l’orientation relative des aimantations des 2 couches magnétiques : c’est l’effet de magnétorésistance tunnel. Nous avons pu montrer dans ce travail de thèse qu’une observation similaire est obtenue lorsque la jonction est irradiée avec de la lumière. En étudiant l’influence du substrat, de la position du faisceau lumineux, de la longueur d’onde de la lumière ainsi que de la réponse du système a un pulse laser, nous avons pu mettre en évidence la présence d’effets photovoltaïque et Seebeck. Ces résultats montrent qu’il est possible, grâce à la lumière solaire, de lire l’information de mémoires magnétiques (type M-RAM) constituées d’une JTM / This thesis is devoted to the study of the effects of light on a magnetic tunnel junction (MTJ). A MTJ is made of a nanometer thick insulating layer sandwiched between the two magnetic layers. When an electric current is injected into such a structure, a voltage can be measured across the insulating layer. This voltage depends on the relative orientation of the magnetizations of the two magnetic layers. This is known as the tunnel magneto-resistance effect. We have shown in this thesis that voltage depending on the orientation of the magnetic layers can be measured when the junction is illuminated with light. By studying the influence of the substrate, the position of the light beam, the wave length of light and the response of the system to a laser pulse, we have been able to demonstrate the presence of photovoltaic and Seebeck effects. These results show that it is possible, thanks to the sunlight, to read the information from magnetic memory (MRAM) made of a MTJ

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.