L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée. / The study of current-induced magnetic domain wall motion through spin transfer torque has attracted a lot of attention in recent years, especially since new magnetic memories devices based on this effect have been proposed. Recently, a new mechanism allowing for highly efficient current-induced domain wall motion has been discovered in ultrathin asymmetric materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. However this mechanism, named spin-orbit torque, and its effect on domain wall motion are not yet well understood.The objective of this work was to study the influence of this spin-orbit torque on domain wall motion. For that, I have studied field- and current-induced domain wall motion in Pt/Co/AlOx trilayer, in the presence of an in-plane magnetic field. This work allowed highlighting the existence of an asymmetric effect in the domain-wall dynamics of this system.In order to explain this result, we have proposed a new kind of domain wall structure, resulting from Dzyaloshinskii-Moriya interaction in materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. Using analytic calculations and micro-magnetic simulations, this domain wall dynamics has been studied and compared to the experimental results. Finally, a second approach based on the presence of an anisotropic damping mechanism has also been proposed to explain the asymmetric effect observed experimentally.

Les mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memory) sont l’une des technologies émergentes visant à devenir un dispositif de mémoire «universelle» applicable à une grande variété d’applications. La combinaison du couple de spin-orbite (SOT) résultant de l’effet Hall de spin (SHE) et de l’interaction de Dzyaloshinskii – Moriya (DMI) aux interfaces entre un métal lourd et une couche ferromagnétique s’est révélée être un mécanisme efficace pour induire une propagation de parois magnétiques chirales à des faibles densité de courant. Les dispositifs à parois magnétiques devraient constituer la prochaine génération de supports d’information en raison de leur potentiel pour des densités de stockage très élevées. Cependant, une limitation cruciale est la présence de défauts structuraux qui piègent les parois magnétiques et induisent des courants de seuil élevés ainsi que des effets stochastiques importants. L’origine du piégeage résulte de la présence de défauts structuraux aux interfaces entre la couche magnétique ultra-mince et les autres couches (isolants et/ou métaux lourds) qui induisent une distribution spatiale des propriétés magnétiques comme l’anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) ou le DMI. Comprendre l’influence de la structure des interfaces sur la propagation de parois et sur le DMI en particulier est cruciale pour la conception de futurs dispositifs basse consommation. C’est dans ce contexte très novateur que mon doctorat s’est focalisé sur la manipulation de la structure des interfaces dans des couches ultra-minces à anisotropie magnétique perpendiculaire. Des structures de CoFeB-MgO ont été utilisées afin de mieux comprendre l'impact de la structure des interfaces sur l’anisotropie, le DMI, la propagation de parois et les phénomènes de SOT. L’approche innovante que nous avons utilisée est basée sur l’irradiation par des ions légers pour contrôler le degré de mélange aux interfaces. Sous l’effet du mélange induit par l’irradiation, nous avons observé dans des structures de W-CoFeB-MgO une forte augmentation de la vitesse de parois dans le régime de creep, compatible avec une réduction de la densité des centres de piégeage. Nous avons aussi démontré que l'anisotropie de l'interface Ki et le DMI mesuré par propagation asymétrique de parois se comportent de la même façon en fonction du mélange aux interfaces. Finalement, nous avons fabriqué des barres de Hall afin de mesurer la commutation de l’aimantation induite par SOT. Le centre des croix de Hall a été irradié afin de diminuer localement l’anisotropie. Nous avons observé une réduction de 60% de la densité de courant critique après l’irradiation correspondant au retournement des croix de Hall irradiés par propagation de parois. Notre étude fournit de nouvelles pistes concernant le développement de mémoires magnétiques à faible consommation, de dispositifs logiques et neuromorphiques. / Magnetic Random Access Memory (MRAM), as one of the emerging technologies, aims to be a “universal” memory device for a wide variety of applications. The combination of the spin orbit torque (SOT) resulting from the spin Hall effect (SHE) and the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) at interfaces between heavy metals and ferromagnetic layers has been demonstrated to be a powerful mean to drive efficiently domain-wall (DW) motion, which are expected to be the promising next generation of information carriers owing to ultra-low driving currents and ultra fast DW motion. However, the crucial limitation of SOT induced domain wall motion results from the presence of pinning defects that can induce large threshold currents and stochastic behaviors. Such pinning defects are strongly related to structural inhomogeneities at the interfaces between the ultra-thin ferromagnetic layer and the other materials (insulator and/or heavy metals) that induce a spatial distribution of magnetic properties such as perpendicular magnetic anisotropy (PMA) or DMI. Therefore, understanding the role of the interface structure on DW motion and DMI is crucial for the design of future low power devices.It is under this innovative context that my Ph.D. research has focused on the manipulation of interface structure in ultra-thin magnetic films with perpendicular magnetic anisotropy. CoFeB-MgO structures have been used in order to understand the impact of interface structure on anisotropy, DMI, domain wall motion and SOT phenomena. The innovative approach we have used in this PhD research is based on light ion irradiation to control the degree of intermixing at interfaces. In W-CoFeB-MgO structures with high DMI, we have observed a large increase of the DW velocity in the creep regime upon He⁺ irradiation, which is attributed to the reduction of pinning centres induced by interface intermixing. Asymmetric in-plane field-driven domain expansion experiments show that the DMI value is slightly reduced upon irradiation, and a direct relationship between DMI and interface anisotropy is demonstrated. Using local irradiated Hall bars in SOT devices, we further demonstrate that the current density for SOT induced magnetization switching through DW motion can be significantly reduced by irradiation. Our finding provides novel insights into the development of low power spintronic-memory, logic as well as neuromorphic devices.

La dynamique des parois de domaine magnétiques (DW) soulève actuellement un très fort intérêt à la fois du point de vue fondamental mais aussi en lien avec ses applications dans des dispositifs logique et mémoire. Des dispositifs nouveaux basés sur les DW ont déjà été proposés, par exemple présentant des très fortes densités de stockage et des taux de transfert élevés pour un remplacement des disques durs. De plus dans les Mémoires Magnétiques à Accès Aléatoire (MRAM), identifiées comme l'une des solutions les plus prometteuses pour le remplacement des DRAM et SRAM, le retournement de l'aimantation implique une propagation des DW. Le contrôle de la dynamique des DW sous courant est longtemps resté un challenge, principalement à cause d'imperfections dans les matériaux utilisés. Des déplacements rapides et contrôlé des DW au moyen d'un courant ont été reportés il y a quelques années seulement dans des multicouches présentant une asymétrie d'inversion (SIA). Plus récemment un mécanisme a été proposé basé sur la présence de couple de spin orbite (SOT) et de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), tout deux trouvant leur origine dans l'interaction spin-orbite et nécessitant une SIA.Mon objectif initial était de tester ce modèle dans deux systèmes présentant différents SIA. Dans des multicouches Pt/Co/Pt à faible SIA, j'ai étudié la propagation des DW sous courant et sous champ et j'ai mis en évidence l'existence d'un amortissement chiral. Ce phénomène nouveau, pendant de DMI pour les mécanismes dissipatifs, influence à la fois la dynamique sous courant et sous champ et doit être pris en compte pour avoir une description complète des mécanismes. Dans des multicouches Pt/Co/AlOx à fort SIA, j'ai étudié de nouvelles géométries pour lesquelles le mouvement de la paroi de domaine et la direction du courant ne sont pas colinéaires. J'ai mis en évidence un déplacement asymétrique des DW en fonction de cette non-colinéarité qui ne peut pas être expliquée avec un modèle simple DMI+SOT. En se basant sur ces résultats expérimentaux, j'ai introduit un nouveau concept de dispositifs, appelé « origami magnétique » : la forme du dispositif gouverne le mécanisme de retournement. Ce concept apporte une grande flexibilité dans la construction de mémoires magnétiques non volatiles, rapides et peu gourmandes en énergie : des fonctionnalités différentes peuvent être obtenues sur un même wafer simplement par la maîtrise de la forme des différents éléments. Je montre la preuve de concept de deux dispositifs. / Magnetic domain wall (DW) dynamics is currently attracting tremendous interest both from a fundamental point of view as well as in relation with emerging magnetic memory and logic devices. New DW-based devices were recently proposed, for example to replace hard drive disks with higher density and faster date transfer. Moreover, in Magnetic Random Access Memory (MRAM), identified as one of the most promising candidate for DRAM and SRAM replacement, switching occurs through DW propagation. Control of current induced DW dynamics has long been a challenge mainly due to material imperfections. Only some years ago, fast and controllable motions were reported in multilayers presenting structural inversion asymmetry (SIA). More recently, a mechanism was proposed based on the presence of spin orbit torques and Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), both phenomena originating from the spin orbit interaction and needing (SIA).My initial objective was to test this model in two systems presenting different SIA. In Pt/Co/Pt multilayers with weak SIA, I studied both current and field induced DW motion and evidenced a chiral damping. This new phenomena, counterpart of the DMI for the dissipative aspects, influences both current and field induced dynamics and has to be taken into account for a complete picture of the mechanism. In Pt/Co/AlOx multilayers with strong SIA, I studied new geometries where the DW motion the and current flow are not collinear. I evidenced asymmetric DW motion as a function of this non-collinearity that cannot be explained with a simple SOT+DMI model. Based on these experimental results I introduce a new device concept named “magnetic origami”: the shape of the device governs the switching mechanism. This concept provides large flexibility to construct fast, low power non-volatile magnetic memory: different functionalities can be achieved on a wafer by simply mastering the shape of the different elements. I show the proof of concept of two such devices.

In the present thesis, magnetization reversal in both out-of-plane and in-plane magnetized thin lms and in devices fabricated out of those lms are explored. Pt/Co/Pt stacks with ultrathin Co layer were in-estimated initially for understanding their magnetic properties in this thesis. These perpendicular magnetized systems are good candidates for magnetic hard disc drives due to their large anisotropy, which may allow miniaturization of magnetic data storage devices. The spin Hall e ect mediated current-induced magnetization reversal in patterned Pt/Co/Pt devices were extensively investigated. Investigation of the magnetization reversal by means of a current instead of a magnetic eld is necessary to explore the possibilities of solid state magnetic memory devices. This is the primary motivation behind the investigation of current-induced magnetization reversal in Pt/Co/Pt system, in this thesis. Another important proposal for magnetic data storage is the race track memory, where the domain walls separating magnetic domains (in in-plane or out-of-plane magnetized materials) are moved by using a current. This involves a great deal of understanding of the domain wall motion in Nano-conduits under applied magnetics ends, and currents and also its interaction with engineered geometrical features. In this thesis work, magnetic led-driven domain wall pinning and deepening experiments on in-plane magnetized nanowires of perm alloy were performed to un-distend this interaction and the e act of domain wall chirality. In chapter 1, a general introduction to di errant data storage technologies and the current progress in the leg of spintronic is presented. This will highlight a perspective of this thesis work with respect to the present day research in spintronic and magnetization reversal studies. In chapter 2, a basic background of magnetism using the micromag-netic framework is illustrated. A brief introduction to magnetic domain walls is also presented. The Landau-Lifshitz-Gilbert dynamical equation is discussed and some case studies applied to a single domain particle with uniaxial anisotropy under the effect of spin-orbit torque are illu trated. The basics of spin-orbit coupling leading to spin Hall e ect is also explain In chapter 3, most of the essential experimental tools along with their basic working principles are described. Extensive e orts have been in-vested in designing and building the experimental tools. These include custom designs of a sputter deposition system, an ultra-high vacuum chamber for pulsed laser ablation, a magneto-optic Kerr e ect magne-tometer, a Kerr imaging system and a magneto-transport setup. All of these experimental setups have been automated, details of which are brie y discussed in this chapter. The Kerr imaging system was designed to measure hysteresis loops, observe domain wall motion and to measure domain wall velocity under applied magnetic elds and electric current. The magneto-transport setup was used for studying the domain wall pinning and depinning experiments in permalloy nanowires. In chapter 4, the optimization process for obtaining perpendicular mag-netic anisotropy in Pt/Co/Pt lms is described. The spin reorientation transition with varying thickness of Co (from 1.5 nm down to 0.35 nm) was studied. The magnetization easy axis direction changes from in-plane to out-of-plane as the thickness of Co is reduced. The dependence of Curie temperatures of ultrathin Co lms, with thickness as low as 0.35 nm, on the underlayer Pt thickness and its crystallinity was studied in detail. The e act of Ta but err layer on the texture of the Pt lm, and on the Curie temperature of the Pt/Co/Pt system was evaluated. To gain further insight of the role of the bottom Pt/Co and the top Co/Pt interfaces, ultrathin Cu lbs were inserted at the respective interfaces, and the anisotropy and magnetization reversal behaviour of these lbs were investigated. In chapter 5, studies on current-induced magnetization reversal in mi-corn sized wires of Pt/Co/Pt trilete is presented. The spin Hall e act assisted spin-orbit torque was used to reversibly switch the magnetization of these devices with and without the help of an external magnetic led. Since both the top and bottom layers are Pt, any contribution from Rashia e act towards spin-orbit torque could be ignored. By preparing devices with unequal top and bottom Pt thicknesses, a net spin-orbit torque could be applied to the magnetization of the Co layer. The thickness gradient/induced anisotropy in the Co layer was utilized to experimentally investigate current-induced deterministic switching. Sin-gel domain simulations with spin-orbit torque were also carried out to understand the mechanism of deterministic switching of magnetization in Pt/Co/Pt devices. This study is expected to have made sign cant contributions and to open up the possibilities of further investigation in the studies of spin-orbit torque in Pt/Co/Pt systems for solid state magnetic memory devices. In chapter 6, magnetic led-induced reversal in systems with in-plane magnetic anisotropy is presented. Here the e act of the width of a Nanos-trip on the anisotropy of a soft magnetic material like perm alloy was in-estimated. By introducing a nucleation pad to one end of the perm alloy nanowire, a single domain wall was generated at the junction with apple-cation of a proper magnetic led sequence. This domain wall could be in-jested into the nanowire by a magnetic led and pinned at a geometrical constriction inside the nanowire. The statistics of domain wall pinning and deepening processes indicated two di errant types of domain walls involved in the reversal process. With the assistance of micro magnetic simulations the domain walls were ident end as vortex walls of di errant chirality’s. Thus the interaction of domain walls with a Nano constriction and its dependence on the chirality of domain walls are understood. In chapter 7, a brief summary of the results obtained during the course of investigations is presented. An outlook presented at the end will help the readers of this thesis to understand the important research problems in this area and their potential future aspects.