Dans le cadre de l'augmentation de la densité de stockage des mémoires magnétorésistives à accès direct (MRAM), les matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire sont particulièrement intéressants car ils possèdent une très forte anisotropie. Cependant, cette augmentation d'anisotropie induit également un accroissement de la consommation d'écriture. Un nouveau concept d'écriture assistée thermiquement a été proposé par le laboratoire SPINTEC. Le principe est de concevoir une structure très stable à température ambiante, mais qui perd son anisotropie lorsqu'elle est chauffée, facilitant ainsi l'écriture. Le but de cette thèse est de valider expérimentalement ce concept. Les premiers chapitres sont consacrés à l'optimisation des matériaux à anisotropie perpendiculaire que sont les multicouches (Co/Pt), (Co/Pd) et (Co/Tb). Leur intégration dans une jonction tunnel magnétique est ensuite présentée. L'évolution de l'anisotropie en température, paramètre crucial au bon fonctionnement de l'assistance thermique, a également été étudiée. Enfin, il est démontré que l'écriture thermiquement assistée est particulièrement efficace : les structures développées présentent une consommation d'écriture réduite par rapport aux structures classiques et une forte stabilité à température ambiante. / In order to increase the storage density of magnetoresistive random access memories (MRAM), magnetic materials with perpendicular anisotropy are very appealing thanks to high anisotropy. However, the enhancement of anisotropy induces an increase of writing consumption as well. A new thermally assisted switching concept has been proposed by SPINTEC laboratory. The principle is to design a highly stable structure at stand-by temperature which loses its anisotropy when heated, making thus the switching easier. The aim of this thesis is to validate experimentally this concept. The first chapters describe the optimisation of out-of-plane magnetic materials such as (Co/Pt), (Co/Pd) and (Co/Tb) multilayers. Their integration in magnetic tunnel junctions is then presented. The evolution of anisotropy with temperature is a critical parameter for thermally assisted writing and has been therefore studied. Finally, the efficiency of this thermally assisted writing is demonstrated: the developed structures present a reduced consumption compared to standard structures and high stability at room temperature.

Magnetic thin films and patterned nanostructures have been studied with respect to their magnetic properties using SQUID-magnetometry, magnetic force microscopy, electrical measurements, and micromagnetic calculations. Properties of vortex domain walls, trapped in Permalloy nanowires with artificial constrictions, were investigated experimentally and by numerical calculations. In particular, the geometrical extent and strength of the pinning potential were evaluated. In these wires, long-range vortex domain wall displacement induced by spin polarized alternating currents was obtained numerically at reduced threshold current densities as compared with the direct current case. Due to the asymmetry of the energy potential, the long-range displacement direction is determined by the vortex chirality. Strained FeCo/Pt superlattices with strong perpendicular anisotropy were investigated experimentally. The strain was controlled by varying the thickness of each alternating layer with monolayer precision and was found to have a dominating effect on the total anisotropy. Epitaxial films of the diluted magnetic semiconductor (Ga,Mn)As were studied with focus on how the ferromagnetic transition temperature could be controlled by post-growth annealing. The ferromagnetic transition temperature was enhanced by approximately 85% for a Mn-doping concentration of 6% under certain conditions. A method to manipulate micrometer sized magnetic particles on patterned arrays of elliptical Permalloy microstructures was studied. Controlled motion and separation of the magnetic particles were obtained using applied rotating magnetic fields. The domain structure of the elliptical elements was studied numerically.

Avec la diminution du nœud de la technologie CMOS, la puissance statique et dynamique augmente spectaculairement. It est devenu l'un des principaux problèmes en raison de l'augmentation du courant de fuite et de la longue distance entre les mémoires et les circuits logiques. Au cours des dernières décennies, les dispositifs de spintronique, tels que la jonction tunnel magnétique (JTM) écrit par transfert de spin, sont largement étudiés pour résoudre le problème de la puissance statique grâce à leur non-volatilité. L'architecture logic-in-memory (LIM) hybride permet de fabriquer les dispositifs de spintronique au-dessus des circuits CMOS, réduisant le temps de transfert et la puissance dynamique. Cette thèse vise à la conception de circuits logiques et mémoires pour le système de faible puissance, en combinant les technologies JTM et CMOS. En utilisant un modèle compact JTM et le design-kit CMOS de STMicroelectronics, nous étudions les circuits hybrides MTJ/CMOS de 1-bit et multi-bit, y compris les opérations de lecture et d'écriture. Les méthodes d'optimisation sont également introduites pour améliorer la fiabilité, ce qui est extrêmement important pour les circuits logiques où les blocs de correction d'erreur ne peuvent pas être facilement intégrés sans sacrifier leurs performances ou augmenter la surface de circuit. Nous étendons la structure MTJ/CMOS hybride de multi-bit à la conception d’une mémoire MRAM avec les circuits périphériques simples. Basés sur le concept de LIM, les circuits logiques/arithmétiques non-volatiles sont conçus. Les JTMs sont intégrés non seulement comme des éléments de stockage, mais aussi comme des opérandes logiques. Tout d'abord, nous concevons et analysons théoriquement les portes logiques non-volatiles (PLNVs) comprenant NOT, AND, OR et XOR. Ensuite, les additionneurs complets non-volatiles (ACNVs) de 1-bit et 8-bit sont proposés et comparés avec l'additionneur classique basé sur la technologie CMOS. Nous étudions l'effet de la taille de transistor CMOS et des paramètres de JMT sur les performances d’ACNV. De plus, nous optimisons l’ACNV sous deux faces. Premièrement, un circuit de détection (mode de tension) de très haute fiabilité est proposé. Après, nous proposons de remplacer le JTM à deux électrodes par un JTM à trois électrodes (écrit par transfert de spin assisté par l’effet Hall de spin) en raison du temps d'écriture et de la puissance plus petit. Basé sur les PLNVs et ACNVs, d'autres circuits logiques peuvent être construits, par exemple, soustracteur non-volatile. Enfin, une mémoire adressable par contenu non-volatile (MACNV) est proposée. Deux décodeurs magnétiques visent à sélectionner des lignes et à enregistrer la position de recherche dans un état non-volatile. / With the shrinking of CMOS (complementary metal oxide semi-conductor) technology, static and dynamic power increase dramatically and indeed has become one of the main challenges due to the increasing leakage current and long transfer distance between memory and logic chips. In the past decades, spintronics devices, such as spin transfer torque based magnetic tunnel junction (STT-MTJ), are widely investigated to overcome the static power issue thanks to their non-volatility. Hybrid logic-in-memory (LIM) architecture allows spintronics devices to be fabricated over the CMOS circuit plane, thereby reducing the transfer latency and the dynamic power dissipation. This thesis focuses on the design of hybrid MTJ/CMOS logic circuits and memories for low-power computing system.By using a compact MTJ model and the STMicroelectronics design kit for regular CMOS design, we investigate the hybrid MTJ/CMOS circuits for single-bit and multi-bit reading and writing. Optimization methods are also introduced to improve the reliability, which is extremely important for logic circuits where error correction blocks cannot be easily embedded without sacrificing their performances or adding extra area to the circuit. We extend the application of multi-context hybrid MTJ/CMOS structure to the memory design. Magnetic random access memory (MRAM) with simple peripheral circuits is designed.Based on the LIM concept, non-volatile logic/arithmetic circuits are designed to integrate MTJs not only as storage elements but also as logic operands. First, we design and theoretically analyze the non-volatile logic gates (NVLGs) including NOT, AND, OR and XOR. Then, 1-bit and 8-bit non-volatile full-adders (NVFAs), the basic elements for arithmetic operations, are proposed and compared with the traditional CMOS-based full-adder. The effect of CMOS transistor sizing and the MTJ parameters on the performances of NVFA is studied. Furthermore, we optimize the NVFA from two levels. From the structure-level, an ultra-high reliability voltage-mode sensing circuit is used to store the operand of NVFA. From the device-level, we propose 3-terminal MTJ switched by spin-Hall-assisted STT to replace the 2-terminal MTJ because of its smaller writing time and power consumption. Based on the NVLGs and NVFAs, other logic circuits can be built, for instance, non-volatile subtractor.Finally, non-volatile content addressable memory (NVCAM) is proposed. Two magnetic decoders aim at selecting a word line to be read or written and saving the corresponding search location in non-volatile state.

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.

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.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.

Les Oscillateurs Spintronique (STNO) sont un nouveau type d'oscillateurs à fréquence radio (RF) qui utilisent l'effet « Spin Transfer Torque (STT) » dans un dispositif de jonction tunnel magnétique (MTJ) pour produire des oscillations entretenues à haute fréquence. Les STNO fournissent des solutions compactes pour la communication sans fil utilisées dans « wireless sensor network (WSN) » car leur fréquence peut être réglée via un courant continu. Ce réglage de fréquence permet de coder l'information via « Frequency shift keying (FSK) » par modulation numérique entre deux valeurs discrètes sans besoin d'un RF mixer, ce qui conduit à des composants RF potentiellement moins complexes. Dans cette thèse, la faisabilité de FSK a été étudiée pour des STNO MTJ à aimantation dans le plan en vue des communications sans fil utilisées dans les WSN. Les paramètres abordés dans cette étude sont le décalage de fréquence et le taux de modulation maximum, auquel la fréquence peut être décalée entre deux valeurs discrètes.Pour caractériser le taux de modulation maximum, des simulations macrospin et des études expérimentales ont été réalisées. Les simulations révèlent que le taux de modulation maximum pour FSK par courant est limité par la fréquence de relaxation du STNO, qui est de l'ordre de quelques centaines de MHz pour les STNO à aimantation dans le plan. Cela signifie que le taux de modulation maximum est limité à quelques centaines de Mbps, ce qui est ciblé ici pour une communication sans fil à débit de données modéré utilisées dans les WSN. Des études expérimentales du FSK par modulation de courant dans les STNO ont été effectuées pour des STNO autonomes et pour des STNO intégrés dans des systèmes hyperfréquences. Le FSK sur les STNO autonomes montre un décalage de fréquence autour de 200 MHz (le décalage de fréquence entre ≈ 8,9 GHz et ≈9,1 GHz) au taux de modulation de 10Mbps. Ce taux de modulation est inférieur à la limite supérieure donnée par la fréquence de relaxation du STNO comme prévu dans la simulation numérique en raison du bruit de phase relativement élevé du dispositif mesuré. Afin de tester la faisabilité du STNO dans les systèmes hyperfréquences, la modulation FSK des STNO a été effectuée sur un émetteur de carte de circuit imprimé (PCB). L'émetteur de PCB a été réalisé et développé par le partenaire du projet Mosaic FP7, TUD University. L'analyse confirme qu'un changement de fréquence autour de 300 MHz (le décalage de fréquence entre ≈9 GHz et ≈9,3 GHz) a été observé avec un taux de modulation de 20 Mbps. Le taux de données est limité par les caractéristiques de l'émetteur de PCB et non intrinsèque au STNO. Les études de simulation et d'expérience de la modulation de fréquence des STNO démontrent que le débit de données est adéquat pour la communication sans fil utilisée dans WSN.Cependant, d'autres améliorations dans les matériaux et la nanofabrication de STNO sont nécessaires pour améliorer la puissance de sortie et améliorer les caractéristiques spectrales des oscillations pour pousser les débits de données à des valeurs plus élevées avec un grand décalage de fréquence / Spin Transfer Nano-Oscillators (STNOs) are a novel type of Radio Frequency (RF) oscillators that make use of the Spin Transfer Torque (STT) effect in a magnetic tunnel junction (MTJ) device to produce high-frequency auto-oscillations. STNOs are attractive for applications in wireless communications due to their nanometric size and their frequency tuning capabilities via either a dc current or an applied field. This frequency tuning permits to encode the information via frequency shift keying (FSK) by digital modulation of the current or applied field between two discrete values without the need of an external RF mixer, leading to potentially less complex RF components. In this thesis, the feasibility of the digital frequency modulation (frequency shift keying (FSK)) using in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied. For this, the maximum modulation rate, up to which a signal can be modulated or the frequency can be shifted between two discrete values, is an important aspect that need to be characterized.The characterization of the maximum modulation rate for in-plane magnetized MTJ STNOs has been studied via numerical macrospin simulation for different modulation configurations, i.e. modulation by a sinusoidal RF current and a sinusoidal RF field. It revealed that the maximum modulation rate under RF current modulation is given by the amplitude relaxation frequency fp of the STNO. Under RF field modulation, i.e. an RF field applied parallel to the easy axis, an enhanced modulation rate above fp can be achieved since the frequency is modulated directly via the field and not via the amplitude. This suggests an important strategy for the design of STNO-based wireless communications and to achieve high data rates. Besides numerical simulation, experimental studies of frequency shift keying (FSK) by current modulation in STNOs have been also demonstrated. The first demonstration is the FSK in standalone STNOs. The analysis confirmed that the FSK was successfully observed with a frequency shift around 200MHz (the frequency shift between ≈8.9 GHz and ≈9.1 GHz) at the modulation rate of 10Mbps. This modulation rate is however less than the upper limit, which is given by the relaxation frequency fp of the STNO as predicted in the numerical simulation, because of the relatively high phase noise of the device measured. In order to test the feasibility of the STNO within microwave systems, the FSK modulation of STNOs was performed on a printed circuit board (PCB) emitter. FSK with a frequency shift around 300MHz (the frequency shift between ≈9 GHz and ≈9.3 GHz) was observed with a modulation rate of 20 Mbps. The data rate here was limited by characteristics of the PCB emitter and not intrinsic to the STNO. The simulation and experiment studies of frequency modulation of STNOs demonstrate that the data rate of is adequate for wireless communication used in WSN. However, further improvements in materials and nanofabrication of STNOs are required to enhance the output power and improve the spectral characteristics of the oscillations to push the data rates to higher values with large frequency shift.

Afin de concurrencer les mémoires à accès aléatoire de type DRAM actuellement sur le marché, les mémoires magnétiques ont depuis quelques années fait l'objet de nombreuses études afin de les rendre aussi performantes que possible. Dans ce contexte, les jonctions tunnel magnétiques à double barrière pourraient présenter des avantages significatifs en termes de vitesse de lecture et de consommation électrique. Nous avons en effet fait la démonstration que les structures à double barrière permettent, pour une configuration antiparallèle des aimantations des polariseurs, d'accroître les effets de transfert de spin assurant ainsi des courants d'écriture faibles. Dans la configuration parallèle des polariseurs, le phénomène est inversé et le couple par transfert de spin résultant est considérablement réduit. Cela permettrait de lire l'information plus rapidement en utilisant des tensions du même ordre de grandeurs que celles utilisées pour l'écriture. Nous avons par ailleurs proposé une méthode d'analyse permettant de caractériser les deux barrières tunnel par des mesures électriques en pleine plaque, ce qui facilite le développement des matériaux et atteste des propriétés électriques attendues avant nanofabrication. / Since a few years, magnetic memories have been extensively studied in order to compete with already existing Random Access Memories such as DRAM. In this context, double barrier magnetic tunnel junctions may have significant assets in terms of reading speed and electrical consumption. In fact, we demonstrated that spin transfer torque is enhanced when polarizers magnetizations are antiparallel, thus yielding a decrease of the writing current. On the contrary, when polarizers are parallel, spin transfer torque is drastically shrinked, thus allowing fast reading of the storage layer state at a voltage as large as the writing voltage. Moreover, we proposed an analysis method to characterize both tunnel barriers by full-sheet electrical measurements, leading to considerable gain of time in material developpement.

L'objectif de cette thèse est d'étudier l'effet du champ magnétique Oersted sur le mouvement induit par courant de parois de domaines magnetiques dans des nanobandes de bicouches IrPy. Nous avons optimisé la croissance épitaxiale des couches minces IrPy avec faible rugosité de surface et d'interface, peu de défauts structurels et un faible champ coercitif. Cela peut réduire le piégeage de parois et donc augmenter sa mobilité. Nanobandes polycristallins PtPy préparées par pulvérisation ont également été étudiées pour comparer les résultats avec des échantillons épitaxiés. Une première preuve directe de l'effet du champ Oersted sur la configuration magnétique de nanobandes magnétiques a été donnée par V. Uhlir et al. utilisant des mesures XMCD-PEEM résolues en temps. Ils ont observé une grande inclinaison transversale de l'aimantation du Py et CoFeB dans les nanobandes en tricouchesCoCuPy et CoCuCoFeB. Nous avons observé le changement de chiralité des parois transverses sous champ Oersted avec des impulsions de courant en utilisant la microscopie à force magnétique. Un mouvement de parois stochastique a été observé en raison du piégeage, ce qui donne lieu à une large distribution de vitesses de paroi de domaine. Déplacement de paroi opposé au flux d'électrons et transformations de paroi ont également été observés en raison de Joule chauffage. Les grains de grande taille (comparable à la largeur de bande) dans nos couches minces épitaxiales bi-cristallins par rapport aux échantillons polycristallins (~10nm) peut être la source possible du fort piégeage. Néanmoins, des vitesses de parois maximales très élevées (jusqu'à 700 et 250m/s) pour des densités de courant relativement faible (1.7x1012 et 1x1012 A/m2) ont été observées dans échantillons épitaxiales et pulvérisées respectivement. Ces vitesses sont 2 à 5 fois plus élevées avec des densités de courant similaires ou plus faible que celles observées dans des nanobandes de Py seul, rapportés dans la littérature. Le champ Oersted est peut-être à l'origine de la plus grande efficacité du couple de transfert de spin dans ces bandes en bicouche. Des simulations micromagnétiques réalisées dans notre groupe confirment qu'un champ magnétique transverse appliqué en plus d'un champ longitudinal pour déplacemer la paroi peut stabiliser le cœur d'une paroi vortex au centre de la nanobande, supprimant ainsi l'expulsion de cœur au bord de la nanobande et donc empêchant la transformation de parois vortex. De même, il peut stabiliser les parois transverses, empêchant des transformations. Cela peut conduire à une décalage du seuil de Walker vers des courants plus élevés, résultant en une augmentation de la vitesse de paroi. Des mesures XMCD-PEEM résolue en temps seront réalisées dans un avenir proche pour confirmer l'effet du champ Oersted sur le mouvement de la paroi. / The aim of this thesis is to study the effect of the magnetic Oersted field on current-induced domain wall (DW) motion in IrPy bilayer nanostripes. We optimized the epitaxial growth of IrPy films on sapphire (0001) substrates with less structural defects, small surface and interface roughness and small coercive fields. This was expected to reduce the DW pinning and hence increase the DW mobility. Polycrystalline PtPy nanostripes prepared by sputtering were also studied to compare the results with epitaxial samples. A first direct evidence of the effect of the Oersted field on the magnetic configuration of magnetic nanostripes was given by V. Uhlir et al. using time-resolved XMCD-PEEM measurements. They observed a large tilt of the Py and CoFeB magnetization in the direction transverse to the stripes in CoCuPy and CoCuCoFeB trilayer nanostripes. We observed chirality switching of transverse walls induced by the Oersted field due to current pulses using magnetic force microscopy. DW motion was found to be stochastic due to DW pinning, which results in a distribution of velocities. DW motion opposite to the electron flow and DW transformations were also observed due to Joule heating. The large grain size (comparable to the stripe width) in our epitaxial bi-crystalline films with respect to the polycrystalline samples (~10nm) may be a possible source of pinning. Nevertheless, very high maximum DW velocities (up to 700 and 250m/s) for relatively low current densities (1.7 x1012 and 1 x1012 A/m2) were observed in epitaxial and sputtered samples respectively. These velocities are 2 to 5 times higher with similar or even smaller current densities than observed in single layer Py nanostripes, reported in the literature. The Oersted field may be at the origin of the high efficiency of the spin transfer torque in these bilayer stripes. Micromagnetic simulations performed in our group confirm that when a transverse magnetic field is applied in addition to a longitudinal field along the nanostripe for VW motion, the vortex core can be stabilized in the center of nanostripe, suppressing the core expulsion at the nanostripe edge and hence preventing the VW transformation. Similarly, it can stabilize transverse walls, preventing DW transformations. This can result in a shift of the Walker breakdown to higher fields/currents, resulting in an increase in DW velocity. Time-resolved XMCD-PEEM measurements will be performed in the near future to confirm the effect of the Oersted field on the DW motion.

Ao passar por uma fina camada magnética uma corrente spin polarizada pode produzir um efeito de torque clássico atuando na camada, sendo capaz de gerar precessão e reversão da magnetização. Esse efeito tem sido alvo de inúmeras pesquisas, em especial pela possibilidade de aplicações em memórias magnéticas não voláteis e em nano-osciladores de alta frequência, entretanto outras características podem ser exploradas. Em particular, devido ao seu caráter não-linear, torques de spin aplicados em camadas magnéticas podem fornecer condições para aparecimento de caos determinístico e ressonância estocástica. Caos determinístico pode ocorrer em sistemas dinâmicos contínuos que tenham ao menos três graus de liberdade. Nesse caso, mesmo que apenas termos determinísticos sejam considerados, a combinação de termos não-lineares e alta sensibilidade em relação a condições iniciais ou pequenas perturbações pode gerar irregularidade e imprevisibilidade no sistema. Ressonância estocástica é o nome que se dá para fenômenos em que a adição de ruído a um sistema pode melhorar a resposta do mesmo, existindo um nível ótimo de ruído. Esse fenômeno pode ser usado para detecção e amplificação de sinais de baixa intensidade, por exemplo. Aqui analisamos a dinâmica da magnetização da camada livre de junções magnéticas em geometrias do tipo nanopilar, com o estudo dividido em dinâmicas determinísticas e estocásticas. Dentro da análise apenas com termos determinísticos, buscamos verificar comportamentos regulares, irregulares e caóticos, caracterizando o sistema através da geração de diagramas com as fases dinâmicas para diferentes valores de parâmetros. Foram vistas duas geometrias diferentes, sendo que em uma delas foi possível fazer a caracterização completa das fases dinâmicas do sistema. No caso de dinâmicas estocásticas, buscamos explorar efeitos não-lineares e flutuações térmicas, analisando ressonância estocástica e sincronização facilitada por ruído em uma junção túnel magnética, além de estudar as respostas dinâmicas quando há apenas o torque de Slonczewski e quando também está presente o torque tipo campo. Foi possível observar a influência de diversos parâmetros, como a amplitude da corrente aplicada e a frequência de entrada, na resposta magnética e na sincronização de dispositivos estocásticos. Além disso, vimos que com a inclusão do torque tipo campo aparece um possível novo comportamento, similar à ressonância, em alta frequência, ainda não detectado experimentalmente. Esses resultados são importantes pela possibilidade de uso desses dispositivos spintrônicos em transmissão segura de dados, comunicação em alta frequência e em uma nova geração de dispositivos bio-inspirados e eficientes energeticamente. / When passing through a fine magnetic layer a spin polarized electric current may result in a classical torque acting on the layer, being capable of causing magnetization precession and reversal. This effect has been object of numerous researches, specially because of possible applications in non-volatile magnetic memories and high frequency nanooscillators. However, other characteristics can be exploited. In particular, because of its non-linear features, spin torques acting on magnetic layers can generate the conditions for deterministic chaos and stochastic resonance to arise. Deterministic chaos may happen in continuous nonlinear dynamical systems with at least three degrees of freedom. In this case, even if only deterministic terms are considered, the combination of nonlinearities with high sensitivity on initial conditions or small perturbations can produce irregularity and unpredictability in the dynamical behaviour. Stochastic resonance is the phenomenon in which the addition of noise in a system can produce a better output, or system response, existing an optimal noise level. This effect can be used as a way to detect and amplify low intensity signal, for example. In this PhD Thesis we study the magnetization dynamics on the free layer of magnetic junctions in nanopillar geometries. The work is divided into two parts: deterministic and stochastic dynamics. When analysing the deterministic case we tried to characterize regular, irregular and chaotic behaviours, producing dynamical phases diagrams for different system parameters. Two different geometries were analysed, being possible to generate a complete characterization of the dynamical phases in one of them. For the stochastic case we tried to explore nonlinear effects and thermal fluctuations, analysing stochastic resonance and noise-enhanced synchronization in a magnetic tunnel junction and studying the dynamical response when only one spin torque is considered, the Slonczewski torque, and also when a perpendicular torque, the field-like torque, is present. We were able to see the influence of several system parameters, such as the amplitude of the applied electric current and the input frequency, on the system response and on the synchronization of stochastic systems. Also, we noticed that with the inclusion of the field-like torque a possibly new high frequency resonance-like behaviour appears. These results are important because of the possibility of using new spintronic devices for secure data transmission, high frequency communications and on a new generation of bio-inspired devices.