Dans cette thèse, nous avons étudié la dynamique des parois de domaine sous courant dans des couches ferromagnétiques ultra-minces de type métal lourd/ métal ferromagnétique/ oxyde présentant un fort couplage spin-orbite. Dans ces systèmes, deux éléments liés au fort couplage spin-orbite et l'asymétrie structurelle d'inversion jouent un rôle clé sur la dynamique des parois : d'une part, l'amplitude des couples de spin-orbite (SOT) exercés sur la paroi lors de l'injection de courant; d'autre part, l'amplitude de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya qui stabilise la structure Néel interne de la paroi. L'objectif de ce travail a été de caractériser les couples agissant sur la paroi induits par le courant ainsi que l'amplitude de l'interaction DMI.Pour y parvenir, j'ai mis au point une nouvelle technique de mesure basée sur la mesure des déplacements nanométriques induits par le courant d'une paroi piégée dans un nanoplot découpé dans le matériau magnétique. Cette mesure quasi-statique permet de s'affranchir des difficultés liées à la modélisation de la dynamique des parois magnétique sous courant en présence de défauts.Par ailleurs, le dispositif a été conçu de façon à ce que le courant et le champ magnétique externe statique puissent être appliqués dans différentes directions orthogonales, ce qui permet séparer clairement les contributions des couples de transfert de spin (NA-STT) et de spin-orbite (DL-SOT).Les mesures ont permis de caractériser le couple exercé sur la paroi par le courant en fonction d'un champ magnétique planaire pour un empilement Pt/Co/AlOx et ceci pour quatre orientations champ/courant différentes. Les résultats permettent d'écarter l'hypothèse d'une structure de type Bloch bi-stable.Dans le cas où le courant est injecté au travers de la paroi, la comparaison des résultats avec le modèle aboutit à une valeur du couple NA-STT très faible. Nos mesures faites avec le champ magnétique planaire permettent de conclure à un champ SOT de 7,5+/-0,5 Oe pour 10 MA/m² en accord avec les résultats de couple publiés précédemment dans le cas d'une paroi de Néel. Si les deux configurations donnent de mesures de couple SOT similaire, elles ne permettent pas de conclure sur la valeur de DMI dans ce système. L'origine de ces valeurs contradictoires reste à expliquer. / In this thesis, we studied the current induced domain walls (DWs) dynamics in ultra-thin ferromagnetic films of heavy metal/ ferromagnetic metal/ oxide type with a high spin-orbit coupling. In these systems, two ingredients linked to the high spin-orbit coupling and the structural inversion asymmetry play a key role on the DWs dynamics: the amplitude of the spin-orbit torques (SOT) acting on the domain when a current is injected; and the amplitude of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMi) which stabilizes the Néel structure of the DW. The purpose of this work was to characterize the current induced torques acting on the DW and the amplitude of the DMi.For that purpose, I developed a new measurement technique relying on the measurement of current induced nanometer size motion of a DW, trapped inside a nanodot patterned in the magnetic material. This quasi-static measurement enables to avoid the difficulties related to the modelling of the DW dynamics in the presence of defects.Besides that, the device has been designed to enable different perpendicular directions for the current and the external magnetic field, which enable a clear measurement of spin transfer (NA-STT) and spin-orbit (DL-SOT) torques contributions.The measurements allowed the characterization of the torque exerted by the current on the DW with respect to a planar magnetic field for a Pt/Co/AlOx stack in 4 different couples of field/current directions. The results allow to exclude the hypothesis of a Bloch structure for the DW.In the case where the current is injected through the DW, the comparison between the results and the model leads to a very weak value for the NA-STT. Our measurements made with the planar magnetic field leads to a value of 7,5+/-0,5 Oe per 10 MA/m² for the DL-SOT, which is in agreement with previously published results in the case of a Néel DW. If both configurations lead to similar measurements for the SOT, they don't permit to conclude on the exact value of the DMi in this system. The origin of these contradictories values is still to be understood.

La spintronique propose de nouvelles solutions en microélectronique en termes d’architecture, pour résoudre les problèmes de miniaturisation et de consommation. Son produit phare, les mémoires magnétiques à accès aléatoire (MRAM), est composé de jonctions tunnel magnétiques (JTM). Une alternative intéressante d’architecture MRAM, développée par Crocus Technology propose d’assister thermiquement le retournement du moment magnétique stockant l’information. L’aimantation de la couche de stockage est couplée à une couche antiferromagnétique afin de la stabiliser (couche piégée). Un chauffage par effet Joule à l’aide d’un courant traversant la barrière tunnel permet de libérer la couche de stockage pour écrire l’information à l’aide d’un champ magnétique. Générer un champ magnétique est encore coûteux en puissance. Pour résoudre ce problème, l’idée explorée dans cette thèse est d’exploiter avantageusement le couple de transfert de spin généré par le courant de chauffage pour réduire le champ d’écriture en changeant la polarité du courant de chauffage suivant l’état que l’on cherche à écrire. Pour ce faire, des dispositifs 1 kbit ont été testés, dans lesquels on montre que l’influence du couple de transfert permet de réduire le champ d’écriture. Une nouvelle structure à couche de stockage synthétique ferrimagnétique (SyF) piégée a été développée pour tirer parti du couple de transfert de spin au mieux sans dégrader relations d’épitaxie garantes des propriétés de stabilité et de signal. Pour étudier l’influence du couple de transfert de spin en détail, des diagrammes de phases en champ et tension ont été réalisés sur divers structures, en séparant les différentes composantes de l’empilement complet. En plus du couple de transfert de spin attendu, un effet pair du courant a été observé, favorisant toujours l’état antiparallèle quel que soit la polarité du courant. Cet effet se retrouve tant sur les couches piégées que les couches libres, et peut s’expliquer par un couple de transfert de spin perpendiculaire comme suggéré par la forme des diagrammes obtenus avec des couches libres. Par ailleurs, les diagrammes d’écriture de couche de stockage SyF révèlent une forme complexe qui serait liée à l’excitation d’une seule des deux couches du SyF par le couple de transfert de spin. En variant le produit résistance-surface (RA) de la JTM, on a montré que le couple de transfert de spin semble bien conserver sa proportionnalité avec la densité de courant sur des structures à couche de stockage piégée. Un autre pan du travail concerne la phase de refroidissement à la fin de l’écriture assistée thermiquement. L’influence de la vitesse de refroidissement sur l’efficacité du couple de transfert de spin a été mise en évidence, et il est montré qu’une diminution progressive de la tension permet d’atteindre un régime de refroidissement quasi-statique dans lequel le taux d’erreur est réduit d’un ordre de grandeur sur certaines structures. Les différents résultats sont mis en lien avec la dépendance en température du couplage RKKY au sein du SyF. Celui-ci permet de d’estimer l’évolution de la température en tension et en temps réel. Enfin, l’existence d’un effet thermoélectrique dû à l’asymétrie de chauffage est étudiée. / Spintronics offers new solutions in microelectronics regarding architecture, to solve scaling and consumption issues. Its main product, magnetic random access memories (MRAM), is composed of magnetic tunnel junctions (MTJ). Switching of the magnetic moment storing the data is facilitated by a thermally assisted writing method developed by Crocus Technology. The storage layer’s magnetization is coupled to an antiferromagnetic layer to stabilize it (pinned layer). Joule heating thanks to a tunneling current allows freeing the storage layer to write information thanks to a magnetic field. Generating a magnetic field still consumes power. To solve this issue, the idea explored in the thesis is to harness advantageously the spin transfer torque arising from the heating current in order to lower the writing field by changing the heating current polarity depending on the state to write. To do this, 1 kbit test vehicles have been tested, for which it is shown that spin transfer torque influence allows reducing the writing field. A new structure has been developed, consisting of a pinned synthetic ferrimagnetic (SyF) storage layer, to get benefits from the spin transfer torque without degrading epitaxial relations necessary to have a good stability and a good signal. To study the influence of spin transfer torque in details, field-voltage phase diagrams have been measured for various structures, by separating the elementary parts of the full structure. Apart from the expected spin transfer torque, an even effect of the current has been observed, favoring the antiparallel state whatever the current polarity. This effect can be found both in pinned layers and free layers, and can be explained thanks to perpendicular spin transfer torque as suggested by the shape of the diagrams obtained on free layers. Besides, writing diagrams of SyF storage layer have a complexe shape that may be related to the excitation of one only layer of the two of the SyF by spin transfer torque. By varying the resistance-area product (RA) of the MTJ, we showed that spin transfer torque seems to keep its proportionality to current density for structures with pinned storage layer. Another side of the work is related to the cooling phase at the end of the thermally assisted writing. Influence of the cooling rate on the efficiency of spin transfer torque was evidenced, and it is showed that a gradual decrease of the voltage let reach a quasistatic cooling regime in which the writing error rate is reduced by one order of magnitude on some structures. The different results are linked to the temperature dependence of RKKY coupling inside the SyF. This allows estimating real time change of temperature. Finally, thermoelectric effect due to heating asymmetry is studied.

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. / This thesis is dedicated to the integration of a polarizer with out-of-plane anisotropy in a classical planar magnetic tunnel junction. The spin transfer torque from the perpendicular polarizer induces a large angle precessional motion of the free layer magnetization. These ultrafast oscillations below the nanosecond-scale can be used as writing technique, also called precessional switching in MRAM cells. We optimized a functional memory device with both good electric and magnetic properties. The concept of processional writing was validated by electric tests on patterned nanopillars structures opening the way to investigate different phenomenon’s regarding both tunneling transport and magnetization dynamics.

Dans la première partie de cette thèse, nous étudions le renversement de l'aimantation de nanofils d'alliage FePt à forte anisotropie magnétocristalline. Lorsque la largeur du fil devient inférieure à la taille des dendrites, nous avons montré qu'il existe une transition du processus de renversement de l'aimantation, de la croissance de dendrites vers la propagation d'une paroi magnétique unique qui renverse tout le fil. Au-delà, la diminution de la largeur du fil jusqu'à la taille caractéristique du désordre et/ou de la rugosité moyenne conduit au renforcement de la coercivité. Ceci conduit finalement dans les fils ultra-fins à un renversement consistant en un mélange de nucléation de domaines et de propagation de parois magnétiques. Dans la deuxième partie, nous rapportons l'utilisation de la magnétorésistance de Magnon (MMR), qui provient de la contribution des magnons à la résistivité, pour mesurer le renversement d'aimantation, dans des nanostructures avec aimantation perpendiculaire (FePt) ou planaire (NiFe). Nous avons montré que la MMR peut être utilisée pour détecter le retournement de l'aimantation dans les nanofils et nano-aimants, et en particulier pour détecter la position d'une paroi magnétique le long d'un nanofil fabriqués à partir d'une couche unique. Enfin, nous étudions dans une dernière partie la dynamique de dépiégeage de paroi magnétique sous champ et sous courant, dans les deux systèmes FePt et NiFe. Nous observons trois types de dépiégeage de paroi, qui dépendent de la nature des défauts ou de la géométrie de la constriction. L'analyse statistique du temps de piégeage montre que le processus de dépiégeage peut être décrit comme procédant d'un chemin simple, de chemins en série, ou de chemins alternatifs. En outre, l'effet du courant sur tous ces mécanismes de dépiégeage s'est révélé équivalent à l'effet du champ appliqué, ce qui permet de mesurer l'efficacité du transfer de spin dans ces systèmes. / In the first part of this thesis, we study the magnetization reversal process of FePt nanowires with high magnetocrystalline anisotropy. When reducing the wire width below the mean dendrite width, the magnetization reversal favors a transition from the dendrite growth to the propagation of a single domain wall (DW). Further decreasing of the width towards the disorder length and/or the mean edge roughness leads to a large increase of coercivity, which finally results in a mix of DW propagation and nucleation in ultra-narrow wires. The second part focuses on the use of Magnon magnetoresistance (MMR), i.e., the magnon contribution to the resistivity, to study the magnetization reversal in nanostructures with either perpendicular (FePt) or planar magnetization (NiFe). We showed that MMR can be used in nanowires and nanomagnets, in particular to detect DW position in nanowires processed in a single layer. Finally, the dynamic of DW depinning under field and current in both FePt and NiFe systems has been studied. We observe three different modes of DW depinning, which depend on the nature of defects, or on the geometry of the constriction. Statistical analysis of the pinning time indeed shows that the depinning path can be described as simple path, serial paths or alternative paths. Additionally, the effect of DC current on all depinning mechanisms is found to be equivalent to the effect of applied field which, allow measuring the spin transfer efficiency in these systems.

En électronique de spin, le couple de transfert de spin (STT) et la magnétorésistance tunnel (TMR) dans les jonctions tunnel magnétiques à électrodes ferromagnétiques (F) sont deux phénomènes physiques essentiels. Dans cette thèse, nous présentons une étude théorique du STT dans des jonctions tunnel antiferromagnétiques (AF), où deux électrodes non-plus F mais AF sont séparées par une barrière isolante non-magnétique. Plus concrètement, les comportements du STT et de la TMR sont étudiés dans des jonctions tunnel AF cristallines, et ce, à l´aide de calculs de liaisons fortes dans le cadre du formalisme de Keldysh. Nous avons observé une distribution spatiale de la composante perpendiculaire du STT régulière et de signe alternatif, ce qui est similaire au comportement de la composante parallèle. Ces variations spatiales de la composante perpendiculaire sont cependant spécifiques à l'utilisation d'une barrière tunnel et contrastent avec les effets observés par le passé pour le cas de couches séparatrices métalliques. De plus, contrairement aux jonctions tunnel F conventionnelles, nous avons montré que la TMR peut augmenter avec la tension appliquée et atteindre des valeurs du même ordre de grandeur que pour des vannes de spin usuelles : tout-métallique et à électrodes F.L´analyse effectuée pour des AF est ensuite étendue aux matériaux ferrimagnétiques (FI), pour lesquels les AF constituent, somme toute, des cas limites. La complexité magnétique additionnelle inhérente aux FI se traduit par un comportement spatial du STT beaucoup plus riche dans les jonctions tunnel FI. Nous observons notamment que les paramètres électroniques tels que les largeurs et les décalages de bandes ont une très forte influence sur le STT. Plus particulièrement, la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux des deux sous-réseaux du FI donne lieu à une distribution spatiale du STT ondulatoire qui est modulée par la densité locale de spin. Il est possible d'ajuster cet effet en jouant sur la tension appliquée aux bornes de la jonction tunnel FI. Nous trouvons de plus que la différence entre les couplages d'échange inter-spin locaux constitue un paramètre fondamental pour la quantification des longueurs caractéristiques du STT dans les FIs. Ce paramètre peut être considéré comme un champ d´échange effectif, par similitude avec le cas usuel des Fs qui présentent un champ d´échange homogène.Pour finir, nous avons sondé expérimentalement les longueurs caractéristiques du STT dans des AFs. Pour de l'Ir20Mn80 et du Fe50Mn50, nous avons déterminé les longueurs de pénétration de spin et les mécanismes d'absorption de courants de spin à température ambiante en utilisant la résonance F et le pompage de spin. Plus précisément, nous avons associé les profondeurs de pénétration critiques à deux mécanismes d'absorption distincts: du déphasage pour l´Ir20Mn80 et du retournement de spin pour le Fe50Mn50. / Spin transfer torque (STT) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic tunnel junctions with ferromagnetic (F) leads are two essential underlying phenomena of modern spintronics. We present here a theoretical study of STT in antiferromagnet (AF) based tunnel junctions, where two AF metal electrodes are separated by a thin nonmagnetic insulating barrier. In particular, the behaviour of STT and TMR in epitaxial AF-based tunnel junctions is investigated using tight binding calculations in the framework of the Keldysh formalism. The spatial distribution of the STT out-of-plane component is found to be staggered, similar to the in-plane component. This behaviour is specific to the use of a tunnel barrier and significantly differs from the out-of-plane torques reported in previous works using a metallic spacer. Additionally, we show that unlike conventional ferromagnetic-based tunnel junctions, the TMR can increase with applied bias and reach values comparable to typical magnetoresistances found for usual spin valves.Next, the analysis carried out for AFs is extended to ferrimagnets (FI), for which AFs constitute simpler limiting cases. The additional magnetic complexity inherent to FI materials yields to a richer physics concerning the STT spatial behaviour in FI based tunnel junctions.Electronic structure parameters such as band widths and exchange splittings of the FI are shown to have a strong influence on STT. In particular, the STT spatial distribution within the leads exhibits a striking spin-modulated wave-like behaviour resulting from the interplay between the exchange splittings of the two FI sublattices. This wave-like behaviour can also be tuned via the applied voltage across the junction. Furthermore, the fundamental intrinsic parameter for quantifying STT characteristic lengths in FI metals is identified. This fundamental parameter can be considered as an effective exchange field in FIs, similar to the homogeneous exchange field in the F case.Finally, the STT characteristic lengths in AF materials are investigated experimentally. Here, room temperature critical depths and absorption mechanisms of spin currents in Ir20Mn80 and Fe50Mn50 are determined by F-resonance and spin pumping. In particular, room temperature critical depths are observed to be originated from different absorption mechanisms: dephasing for Ir20Mn80 and spin flipping for Fe50Mn50.

Du fait de leurs propriétés avantageuses en termes de rétention des données, densité de stockage et faible courant critique pour l'écriture par courant polarisé en spin (STT), les jonctions tunnel magnétiques à anisotropie perpendiculaire sont devenues prédominantes dans les études sur les applications aux mémoires magnétiques MRAM. Les travaux de cette thèse s'inscrivent dans ce contexte avec pour but l'amélioration des propriétés de transport et d'anisotropie de telles structures ainsi que la réalisation d'empilements encore plus complexes tels que des doubles jonctions perpendiculaires. Grâce à l'étude des propriétés magnétiques et des mesures de MagnétoRésistance Tunnel (TMR), il apparaît que pour optimiser les performances des jonctions tunnel, l'ensemble des épaisseurs des couches composant l'empilement doit être adapté. Des compromis sont souvent nécessaires pour obtenir à la fois une forte anisotropie perpendiculaire et des signaux de TMR élevés. Des études en fonction des épaisseurs magnétiques ont permis de déterminer les aimantations à saturation, épaisseurs critiques et couches mortes dans les couches de référence et de stockage de jonctions standard avec électrode libre supérieure et couverture Ta. Ce type de jonction a pu être nano-fabriqué sous forme de piliers circulaires afin de tester l'écriture par STT. Sachant que l'anisotropie perpendiculaire provient essentiellement de l'interface métal/oxyde, la couverture Ta a été ensuite remplacée par une deuxième couche de MgO, permettant d'améliorer significativement l'anisotropie de la couche libre. En introduisant une seconde référence au-dessus de cette jonction, des doubles jonctions perpendiculaires fonctionnelles ont pu être fabriquées. Des couches de stockage antiferromagnétiques synthétiques de la forme CoFeB/insert/CoFeB ont pu être développées et apparaissent suffisamment stables pour pouvoir remplacer les traditionnelles références à base de multicouches Co/Pt. / Due to their advantageous properties in terms of data retention, storage density and critical current density for Spin Transfer Torque (STT) switching, the magnetic tunnel junctions with perpendicular anisotropy have become predominant in the developments for MRAM applications. The aim of this thesis is to improve the anisotropy and transport properties of such structures and to realize even more complex stacks such as perpendicular double junctions. Studies on the magnetic properties and Tunnel MagnetoResistance (TMR) measurements showed that to optimize the performances of the junctions, all the thicknesses of the different layers constituting the stack have to be adapted. To guaranty both a large TMR as well a strong perpendicular anisotropy, compromises are most of the time needed. Studies as a function of magnetic thickness enabled to extract the saturation magnetization, the critical thickness and the magnetic dead layer thickness both in the bottom reference and the top storage layer in structures capped with Ta. This type of junction could be tested electrically after patterning the sample into nanopillars. Knowing that perpendicular anisotropy mostly arises at the metal/oxide interface, the Ta capping layer was replaced by a MgO one, leading to a huge increase in the anisotropy of the free layer. A second top reference was then added on such a stack to create functional perpendicular double junctions. CoFeB/insertion/CoFeB synthetic antiferromagnetic storage layers could be developed and were proved to be stable enough to replace the standard Co/Pt-based reference layers.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt. / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.

Das Schalten und das Auslesen der magnetischen Ausrichtung einzelner winziger magnetischer Informationsspeicher müssen zu wirklich nanoskopischer Dimension entwickelt werden, um mit der Miniaturisierung von modernen, nanoelektronischen Bauteilen Schritt zu halten. Daher sind neue Konzepte, den magnetischen Zustand von Nanostrukturen elektronisch gezielt zu beeinflussen, derzeitig im Mittelpunkt wissenschaftlicher Untersuchungen. Diese Arbeit befasst sich mit dem zuverlässigen Einstellen der Magnetisierung eines rein horizontal kontaktierten, nanoskopischen Magneten, in zwei stabile Zustände. Ein spinpolarisierter Strom wird bei Raumtemperatur in eine Leiterbahn unterhalb des magnetischen Nanopillars injiziert. Spindiffusion durch den Kontakt zwischen der Leiterbahn (Cu) und dem Pillar (CoFe) ruft eine Spin-Akkumulation im Nanopillar hervor, der durch den Spin Transfer Torque-Effekt (STT) vermittelt wird. Bei diesem Prozess verursachen die akkumulierten Elektronenspins ein auftretendes Netto-Moment, das senkrecht auf die Magnetisierungsorientierung des Nanopillars wirkt und so das Schalten ermöglicht. In den STT-induzierten Schaltexperimenten wird der magnetische Zustand des Nanopillars durch eine bildgebendes Messverfahren mittels Rasterröntgentransmissionsmikroskopie (STXM) erfasst. So konnte gezeigt werden, dass sich die Magnetisierung des Pillars auch gegen das Oersted-Feld des Schaltstroms reversibel schalten lässt.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105 / “Changing and detecting the orientation of nanomagnetic structures, which can be used for durable information storage, needs to be developed towards true nanoscale dimensions for keeping up the miniaturization speed of modern nano electronic components. Therefore, new concepts for controlling the state of nano magnets are currently in the focus of research in the field of nanoelectronics. Here, we demonstrate reproducible switching of a purely metallic nanopillar placed on a lead that conducts a spin-polarized current at room temperature. Spin diffusion across the metal-metal (Cu to CoFe) interface between the pillar and the lead causes spin accumulation in the pillar, which may then be used to set the magnetic orientation of the pillar by means of Spin Transfer Torque (STT). In our experiments, the detection of the magnetic state of the nanopillar is performed by direct imaging via scanning transmission x-ray microscopy (STXM)” [1]. Therefore it could be demonstrated, to reversibly switch the nanopillar’s magnetic state even against the Oersted field which is induced by the switching current. Furthermore we could show, that magnetization switching is possible by a pure spin current that is diffusively transported beneath the nanopillar.:Kurzfassung v Abstract vi Danksagung xi 1 Einleitung 1 2 Grundlagen zu Spintronic 5 2.1 Elektronenspins als Grundlage für den Ferromagnetismus . . . . . . 6 2.2 Magnetowiderstandseffekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1 Anisotroper Magnetowiderstandseffekt (AMR) . . . . . . . . 8 2.2.2 Riesenmagnetowidersandseffekt (GMR) . . . . . . . . . . . . 10 2.2.3 Tunnelmagnetowiderstandeffekt (TMR) . . . . . . . . . . . 13 2.3 Spin–Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Spinpolarisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.2 Spin-Injektion und Spin-Akkumulation . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Spinpolarisierter elektrischer Transport . . . . . . . . . . . . 20 2.4 Spin Transfer Torque (STT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.5 Geometrien für Spintronic–Bauelemente . . . . . . . . . . . . . . . 30 3 Probenkonzept und Fabrikationsmethoden 35 3.1 Probenkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 Anforderungen an die CIP–STT-Struktur . . . . . . . . . . . 37 3.1.2 Anforderungen an die ferromagnetischer Materialien . . . . . 38 3.2 Techniken der Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Elektronenstrahllithografie (EBL) . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Positiv- und Negtivlack Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Physikalisches Ätzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Probenfabrikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4 Experimentelle Methoden 49 4.1 Transmissionsröntgenmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.1.1 Rastertransmissionsröntgenmikroskopie (STXM) . . . . . . . 51 4.1.2 Kontrastmechanismen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.1.3 Röntgenmagnetischer zirkularer Dichroismus (XMCD) . . . 54 4.2 Magneto-optische Kerr–Effekt Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . 57 4.2.1 Kerr–Mikroskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.2.2 Longitudinale Kerr–Geometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 5 STT–Experimente und Diskussion 61 5.1 Experimenteller Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.2 Eigenschaften der magnetischen Bauelemente . . . . . . . . . . . . . 64 5.2.1 MOKE-Mikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2.2 Mikromagnetische Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.2.3 Analytische Berechnung zum Nanopillar . . . . . . . . . . . 70 5.2.4 Röntgentransmissionsmikroskopie . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.3 Spin Transfer Torque-Schalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3.1 STT-Schalten mit unterstützendem Magnetfeld . . . . . . . 74 5.3.2 STT-Schalten ohne unterstützendes Magnetfeld . . . . . . . 79 5.3.3 Betrachtung besonderer experimenteller Aspekte . . . . . . . 81 5.3.4 STT-Schalten ohne direkten Ladungstransport . . . . . . . . 89 5.3.5 Magnetisierungsumkehr durch Oersted-Feld . . . . . . . . . 93 6 Zusammenfassung und Ausblick 97 A STXM-Hysteresemessungen der Polarisatoren und Nanopillar 101 Literaturverzeichnis 105

In this review the different concepts of nanoscale resistive switching memory devices are described and classified according to their I–V behaviour and the underlying physical switching mechanisms. By means of the most important representative devices, the current state of electrical performance characteristics is illuminated in-depth. Moreover, the ability of resistive switching devices to be integrated into state-of-the-art CMOS circuits under the additional consideration with a suitable selector device for memory array operation is assessed. From this analysis, and by factoring in the maturity of the different concepts, a ranking methodology for application of the nanoscale resistive switching memory devices in the memory landscape is derived. Finally, the suitability of the different device concepts for beyond pure memory applications, such as brain inspired and neuromorphic computational or logic in memory applications that strive to overcome the vanNeumann bottleneck, is discussed.

La miniaturisation du nœud technologique de CMOS en dessous de 90 nm conduit à une forte consommation statique pour les mémoires et les circuits logiques, due aux courants de fuite de plus en plus importants. La spintronique, une technologie émergente, est d’un grand intérêt pour remédier à ce problème grâce à sa non-volatilité, sa grande vitesse d’accès et son intégration facile avec les procédés CMOS. Comparé à la commutation induite par le champ magnétique, le transfert de spin (STT), une approche de commutation induite par le courant, non seulement simplifie le processus de commutation mais aussi permet un fonctionnement sans précédent en termes de consommation et de vitesse. Cette thèse est consacrée à la modélisation compacte et la conception de circuit hybride pour les dispositifs spintroniques basés sur la commutation induite par le courant. La jonction tunnel magnétique (JTM), élément fondamental de la mémoire magnétique (MRAM), et la mémoire racetrack, nouveau concept fondé sur la propagation des parois de domaine induites par le courant, sont particulièrement étudiés. Ces dispositifs et circuits spintroniques sont basés sur les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire (AMP) qui ouvrent la perspective d’une miniaturisation submicronique tout en conservant une grande stabilité thermique. De nombreux modèles physiques et paramètres réalistes sont intégrés dans la modélisation compacte pour obtenir une bonne cohérence avec les mesures expérimentales. En utilisant ces modèles compacts précis, certaines applications pour la logique et les mémoires magnétiques, tels que l’additionneur complet magnétique (ACM) et la mémoire adressable par contenu (CAM), sont conçues et simulées. Nous analysons et évaluons leur potentiel de performance en termes de surface, vitesse et consommation d’énergie par rapport aux circuits classiques. Enfin, afin de lutter contre la limitation de capacité entravant la large application, nous proposons deux optimisations de conception : la mémoire multivaluée (MLC) pour la STT-MRAM et l’assistance par champ magnétique pour la mémoire racetrack. Ce concept de MLC utilise le comportement stochastique des STT pour atteindre une haute vitesse tout en augmentant la densité de STT-MRAM. La mémoire racetrack assistée par champ magnétique est fondée sur l’observation d’une propagation des parois de domaine en dessous du courant critique, propagation est attribué à l’effet « Walker breakdown ». Ceci ouvre une nouvelle voie pour réduire le courant de propagation et augmenter la capacité des mémoires racetrack au-delà des améliorations des circuits périphériques et des matériaux. / The shrinking of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication node below 90 nm leads to high static power in memories and logic circuits due to the increasing leakage currents. Emerging spintronic technology is of great interest to overcome this issue thanks to its non-volatility, high access speed and easy integration with CMOS process. Spin transfer torque (STT), a current-induced switching approach, not only simplifies the switching process but also provides an unprecedented speed and power performances, compared with the field-induced switching. This thesis is dedicated to the compact modelling and hybrid circuit design for current-induced switching spintronic devices. Magnetic tunnel junction (MTJ), the basic element of magnetic random access memory (MRAM), and racetrack memory, a novel concept based on current-induced domain wall (CIDW) motion, are particularly investigated. These spintronic devices and circuits are based on the materials with perpendicular-magnetic-anisotropy (PMA) that promises the deep submicron miniaturization while keeping a high thermal stability. Numbers of physical models and realistic parameters are integrated in the compact modeling to achieve a good agreement with experimental measurements. By using these accurate compact models of PMA STT MTJ and PMA racetrack memory, some magnetic logic and memory applications, such as magnetic full adder (MFA) and content addressable memory (CAM), are designed and simulated. We analyze and assess their performance potential in terms of speed, area and power consumption compared with the conventional circuits. Finally, in order to tackle the capacity bottleneck hindering the wide application, we propose two design optimizations: MLC for MRAM and magnetic field assistance for racetrack memory. This MLC design benefits from the STT stochastic behavior to achieve an ultra-high speed while increasing the density. The racetrack memory with magnetic field assistance is based on the observation that CIDW motion can be triggered below the critical current due to “Walker breakdown” effect. This opens a new route to reduce the propagation current and increase the capacity of racetrack memory beyond the improvements of peripheral circuits or materials.