Le travail exposé dans cette thèse de doctorat présente des expériences à basse température dans le domaine de la spintronique quantique sur des hétérostructures à base de germanium. Tout d’abord, les avantages attendus du germaniumpour la spintronique quantique sont exposés, en particulier la faible interaction hyperfine et le fort couplage spin-orbite théoriquement prédits dans le Ge. Dans un second chapitre, la théorie des boites quantiques et systèmes à double boite sont détaillés, en se focalisant sur les concepts nécessaires à la compréhension des expériences décrites plus tard, c’est-à-dire les effets de charge dans les boites quantiques et double boites, ainsi que le blocage de spin de Pauli. Le troisième chapitre s’intéresse à l’interaction spin-orbite. Son origine ainsi que ses effets sur les diagrammes d’énergie de bande sont discutés. Ce chapitre se concentre ensuite sur les conséquences de l’interaction spin-orbite spécifiques aux gaz bidimensionnels de trous dans des hétérostructures de germanium, c’est-à-dire l’interaction spin-orbite Rashba, le mécanisme de relaxation de spin D’Yakonov-Perel ainsi que l’antilocalisation faible.Le chapitre quatre présente des mesures effectuées sur des nanofils coeur coquillede Ge/Si. Dans ces nanofils une boite quantique se forme naturellement et celui-ci est étudié. Un système à double boite quantiques est ensuite formé par utilisation de grilles électrostatiques, révélant ainsi du blocage de spin de Pauli.Dans le cinquième chapitre sont détaillés des mesures demagneto-conductance de gas de trous bidimensionnels dans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique se situe à la surface. Ces mesuresmontrent de l’antilocalisation faible. Les temps de transport caractéristiques sont extraits ainsi que l’énergie de séparation des trous 2D par ajustement de courbe de la correction à la conductivité due à l’antilocalisation. De plus, les mesures montrent une suppression de l’antilocalisation par un champ magnétique parallèle au puit quantique. Cet effet est attribué à la rugosité de surface ainsi qu’à l’occupation virtuelle de sous-bandes inoccupées.Finalement, le chapitre six présente des mesures de quantisation de la conductancedans des hétérostructures de Ge/SiGe contraints dont le puit quantique est enterré. Tout d’abord, l’hétérostructure est caractérisée grâce à des mesures de magneto-conductance dans une barre de Hall. Ensuite, un second échantillon dessiné spécialement pour la réalisation de points de contact quantiques est mesuré. Celui-ci montre des marches de conductance. La dépendance en champ magnétique de ces marches est mesurée, permettant ainsi une extraction du facteur gyromagnétique de trous lourds dans du germanium. / This thesis focuses on low temperature experiments in germaniumbased heterostructure in the scope of quantumspintronic. First, theoretical advantages of Ge for quantum spintronic are detailed, specifically the low hyperfine interaction and strong spin orbit coupling expected in Ge. In a second chapter, the theory behind quantum dots and double dots systems is explained, focusing on the aspects necessary to understand the experiments described thereafter, that is to say charging effects in quantum dots and double dots and Pauli spin blockade. The third chapter focuses on spin orbit interaction. Its origin and its effect on energy band diagrams are detailed. This chapter then focuses on consequences of the spin orbit interaction specific to two dimensional germaniumheterostructure, that is to say Rashba spin orbit interaction, D’Yakonov Perel spin relaxation mechanism and weak antilocalization.In the fourth chapter are depicted experiments in Ge/Si core shell nanowires. In these nanowire, a quantumdot formnaturally due to contact Schottky barriers and is studied. By the use of electrostatic gates, a double dot system is formed and Pauli spin blockade is revealed.The fifth chapter reports magneto-transport measurements of a two-dimensional holegas in a strained Ge/SiGe heterostructure with the quantum well laying at the surface, revealing weak antilocalization. By fitting quantumcorrection to magneto-conductivity characteristic transport times and spin splitting energy of 2D holes are extracted. Additionally, suppression of weak antilocalization by amagnetic field parallel to the quantum well is reported and this effect is attributed to surface roughness and virtual occupation of unoccupied subbands.Finally, chapter number six reportsmeasurements of quantization of conductance in strained Ge/SiGe heterostructure with a buried quantumwell. First the heterostructure is characterized by means ofmagneto-conductance measurements in a Hall bar device. Then another device engineered specifically as a quantum point contact is measured and displays steps of conductance. Magnetic field dependance of these steps is measured and an estimation of the g-factor for heavy holes in germanium is extracted.

Aujourd'hui, il existe plusieurs façons de développer des circuits microélectroniques adaptés aux applications spatiales qui répondent aux contraintes sévères de l'immunité contre les radiations, que ce soit en termes de technique de conception ou de processus de fabrication. Le but de ce doctorat est d'une part de combiner plusieurs techniques nouvelles de microélectronique pour concevoir des architectures adaptées à ce type d'application et d'autre part, d'incorporer des composants magnétiques non-volatiles intrinsèquement robustes aux rayonnements. Un tel couplage serait tout à fait novateur et profiterait sans précédent, en termes de surface, de consommation, de robustesse et de coût.Contrairement à la conception de circuits synchrones qui reposent sur un signal d'horloge, les circuits asynchrones ont l'avantage d'être plus ou moins insensibles aux variations temporel résultant par exemple des variations du processus de fabrication. En outre, en évitant l'utilisation d'une horloge, les circuits asynchrones ont une consommation d'énergie relativement faible. Les circuits asynchrones sont généralement conçus pour fonctionner en fonction des événements déterminés grâce à un protocole de "poignée de main" spécifique.Pour les applications avioniques et spatiales, il serait souhaitable de fournir un circuit asynchrone rendu robuste contre les effets des radiations. En effet, la présence de particules ionisantes à haute altitude ou dans l'espace peut induire des courants perturbateurs dans des circuits intégrés qui peuvent être suffisants pour provoquer un basculement à l'état binaire maintenu par une ou plusieurs grilles. Cela peut provoquer un dysfonctionnement du circuit, connu dans l'état de l'art en tant que single event upset (SEU). Il a été proposé de fournir un module redondant double (Dual Modular Redundency: DMR) ou un module redondant triple (Tripple Modular Redundcy: TMR) dans une conception de circuit asynchrone afin de fournir une protection contre les radiations. De telles techniques s'appuient sur la duplication du circuit dans le cas de DMR, ou en triplant le circuit dans le cas de TMR, et en détectant une discordance entre les sorties des circuits comme indication de l'apparition d'une SEU.L'intégration de composants non-volatils intrinsèquement robustes, tels que les jonctions de tunnel magnétique (JTM), l'élément principal de la mémoire MRAM, pourrait conduire à de nouvelles façons de retenir les données dans des environnements difficiles. Les dispositifs JTM sont constitués de matériaux ferromagnétiques avec des propriétés magnétiques qui ne sont pas sensibles aux rayonnements. Les données sont stockées sous la forme de la direction de l'aimantation et non sous la forme d'une charge électrique, qui est une propriété essentielle pour les applications spatiales. Il est également largement reconnu dans le domaine de la microélectronique que les circuits intégrés fabriqués sur les substrats SOI (Silicon On Insulator) sont plus robustes aux radiations.Il existe donc un besoin dans l'état de l'art pour un circuit ayant une surface et une consommation d'énergie relativement faibles, et qui permet une récupération après un SEU sans nécessiter de réinitialisation et qui présente des caractéristiques non-volatiles. L'objectif de ce doctorat est de combiner tous les avantages mentionnés ci-dessus en regroupant plusieurs méthodes de conception microélectronique répondant aux contraintes des applications spatiales dans une nouvelle architecture. Un Circuit complet a été imaginé, conçu, simulé et envoyé en fabrication. Ce circuit est composé d'un pipeline asynchrone d'additionneur et d'un test intégré complexe connu sous le nom de BIST (Built In Self Test). Apres fabrication, ce circuit sera testé. Premièrement des tests fonctionnels vont être réalisés, puis des tests sous laser pulsé seront menés ainsi que sous attaques aux ions lourds. / Today, there are several ways to develop microelectronic circuits adapted for space applications that meet the harsh constraints of immunity towards radiation, whether in terms of technical design or manufacturing process. The aim of this doctorate is on the one hand to combine several novel techniques of microelectronics to design architectures adapted to this type of application, and on the other hand to incorporate non-volatile magnetic components inherently robust to radiation. Such an assembly would be quite innovative and would benefit without precedent, in terms of surface, consumption, robustness and cost.In contrast with synchronous circuit designs that rely on a clock signal, asynchronous circuits have the advantage of being more or less insensitive to delay variations resulting for example from variations in the manufacturing process. Furthermore, by avoiding the use of a clock, asynchronous circuits have relatively low power consumption. Asynchronous circuits are generally designed to operate based on events determined using a specific handshake protocol.For aviation and/or spatial applications, it would be desirable to provide an asynchronous circuit that is rendered robust against the effects of radiation. Indeed, the presence of ionising particles at high altitudes or in space can induce currents in integrated circuits that may be enough to cause a flip in the binary state held by one or more gates. This may cause the circuit to malfunction, known in the art as a single event upset (SEU). It has been proposed to provide dual modular redundancy (DMR) or triple modular redundancy (TMR) in an asynchronous circuit design in order to provide radiation protection. Such techniques rely on duplicating the circuit in the case of DMR, or triplicating the circuit in the case of TMR, and detecting a discordance between the outputs of the circuits as an indication of the occurrence of an SEU.The integration of inherently robust non-volatile components, such as Magnetic Tunnel Junctions (MTJ), the main element of MRAM memory, could lead to new ways of data retention in harsh environments. MTJ devices are constituted of ferromagnetic materials with magnetic properties that are not sensitive to radiation. Data is stored in the form of the direction of the magnetisation and not in the form of an electric charge, which is an essential property for space applications. It is also widely recognised in the field of microelectronics that integrated circuits manufactured on SOI (Silicon On Insulator) substrates are more robust to radiation.There is thus a need in the art for a circuit having relatively low surface area and power consumption, and that allows recovery following an SEU without requiring a reset and that has non-volatile characteristics. The objective of this doctorate is to combine all the above mentioned benefits by regrouping several methods of microelectronic design responding to the constraints of space applications into a novel architecture. A complete circuit has been created, designed, simulated, validated and sent to manufacturing in a 28nm FD-SOI process. This circuit is composed of an adder pipeline and a complex BIST (Build In Self Test). When fabricated, this circuit will be tested. First a functional test will be realised, then laser pules attacks will be performed and finally a heavy ions attack campaign.

Les nouvelles technologies numériques sont très avides en capacité de stockage, ainsi qu’en efficacité (rapidité et bas coût énergétique) de transport d’information. Les dispositifs d’aujourd’hui atteignant leurs limites, la recherche de nouvelles solutions de stockage est primordiale.L’utilisation de parois magnétiques comme brique élémentaire au codage de l’information a été proposée il y a quelques années, dans l’optique de réaliser un enregistrement tridimensionnel et ainsi d’augmenter considérablement les capacités de stockage.Depuis, un nouvel objet magnétique plus robuste et moins sensible aux perturbations extérieures a été découvert : le skyrmion. Il est récemment devenu un sujet d’étude très actif et a été observé expérimentalement dans deux types de systèmes. Le premier est basé sur les matériaux hélimagnétiques, dont la structure cristalline est non centrosymétrique. Le FeGe est l’un d’eux, avec la température de transition magnétique observée la plus élevée. Le skyrmion a également été observé à l’interface entre un métal lourd à fort couplage spin-orbite et un matériau ferromagnétique. En particulier, les systèmes de multicouches à interfaces non symétriques ont montré leur fort potentiel pour la manipulation de skyrmions à température ambiante.Les deux principales difficultés rencontrées aujourd’hui sont la réalisation de systèmes avec des techniques d’élaboration intégrables à des dispositifs industriels, ainsi que la détection fiable de la présence de skyrmions. Cette thèse est donc séparée en deux problématiques, appliquées aux deux types de systèmes. Un protocole de croissance de couches minces de FeGe hélimagnétique par pulvérisation cathodique a été développé en s’appuyant principalement sur des caractérisations structurales par diffraction de rayons X. L’élaboration de multicouches à interfaces non symétriques du type [métal lourd 1/matériau ferromagnétique/métal lourd 2]n a également été étudiée. Ces deux systèmes ont ensuite été caractérisés magnétiquement par diverses techniques basées sur de l’imagerie magnétique, des mesures de magnéto-transport et de la spectroscopie magnétique. / New technology needs huge storage capacity together with high speed and low-cost transport of information. Current devices meeting their limits, research on new storage solutions is needed.One of them, proposed a few years ago, consists in using magnetic domain walls. Aligning them in nanowires and using the thickness of the layers could enable the realization of a tridimensional recording device and then improve the storage capacity.A new object more robust and less sensitive to perturbations has been discovered since. Skyrmion is now widely studied. It has been experimentally observed in two kinds of systems. The first one is helimagnet, with non centrosymmetric crystal structure. FeGe is one of them, with the highest critical temperature observed yet. Skyrmion has been observed as well at the interface between a heavy metal with strong spin-orbit coupling and a ferromagnet. In particular, multilayers with non-symmetric interfaces are very promising systems for manipulation of skyrmions at room temperature.Nevertheless, the elaboration of systems for industrial devices and reliable detection of skyrmions is still challenging. These two problematics are explored in this thesis, applied to two different systems. A protocol to grow helimagnetic FeGe thin films was first established, thanks to structural characterization mainly based on X-ray diffraction. Growth of multilayers with non symmetrical interfaces [heavy metal 1/ferromagnet/heavy metal 2]n was studied as well. These systems were then magnetically characterized, using numerous techniques such as magnetic imaging, magneto transport measurements and magnetic spectroscopy.

L’intégration à large échelles de bits quantiques (qubits) nécessite le développement de systèmes quantiques à deux niveaux à l’état solide comme par exemple des spins électroniques confinés dans des boîtes quantiques ou des fermions de Majorana dans des nanofils semiconducteurs.Les trous confinés à une ou deux dimensions dans des hétérostructures à base de germanium sont de bons candidats pour de tels qubits parce qu’ils offrent i) une forte interaction spin-orbite (SOI) conduisant à des facteurs de Landé relativement grands, ii) un couplage hyperfin réduit laissant entrevoir un long de temps de cohérence de spin et iii) des masses efficaces relativement faibles favorisant le confinement quantique. Au cours de cette thèse, j’ai étudié le transport de trous dans des systèmes unidimensionnels et bidimensionnels faits à partir d’hétérostructures Ge/Si_0.2Ge_0.8 à contrainte compressive. Une partie importante de mon travail de recherche a été consacrée au développement de techniques de fabrication pour ces dispositifs semi-conducteurs. J’ai débuté par la fabrication de dispositifs de type "barre de Hall" à partir d’hétérostructures Ge/SiGe non dopées.J’ai étudié deux types d’ hétérostructures contenants un puits quantique de Ge contraint: l’une où le puits de Ge est à la surface de la structure donc facilement accessible aux contacts métalliques, et l’autre où le puitsest enterré à 70nm sous la surface permettant d’avoir une mobilité élevée.Les propriétés électroniques du gaz de trou bidimensionnel confiné dans lepuits de Ge ont été étudiées à travers des mesures de magnéto-transportjusqu’à 0,3 K. Pour le puits enterré, mes mesures ont révélé un caractère dominant de trou lourd, ce qui est attendu dans le cas d’une contrainte compressive en combinaison avec un confinement bidimensionnel. Les dispositifs avec un puits de Ge superficiel ont montré un transport diffusif et un effet d’anti-localisation faible, ce qui est dû à l’interférence quantique de differents chemins de diffusion en présence du SOI. Le fait que le puits de Ge soit situé à la surface permet des champs électriques perpendiculaires relativement grands et, par conséquent, un plus fort SOI de type Rashba. J’ai été en mesure d’estimer l’énergie caractéristique du SOI en obtenant une valeur d’environ 1 meV. Pour la réalisation de nano-dispositifs quantiques,j’ai utilisé l’ hétérostructure avec un puits de Ge enterré où la mobilité des trous se rapproche de 2 × 105 cm2/Vs. En utilisant la lithographie par faisceau d’électrons, des grilles métalliques à l’échelle nanométrique ont été définies sur la surface de l’échantillon afin de créer des constrictions unidimensionnelles dans le gaz de trous bidimensionnel. J’ai ainsi réussi à observer la quantification de la conductance dans des fils quantiques d’une longueur allant jusqu’à ~ 600 nm. Dans ces fils, j’ai étudié l’effet Zeeman sur les sous-bandes unidimensionnelles. J’ai trouvé des grands facteurs g pour le champ magnétique perpendiculaire, et des petits facteurs g dans le plan. Cette forte anisotropie indique un caractère de trou lourd prédominant,ce qui est attendu dans le cas d’un confinement dominant dans la direction perpendiculaire. Les grands facteurs g et le caractère unidimensionnel balistique sont des propriétés favorables à la réalisation de fermions de Majorana. Enfin, j’ai commencé à explorer le potentiel des hétérostructures à base de Ge pour la réalisation de dispositifs à points quantiques, en visant des applications en calcul quantique à base de spin. Au cours des derniers mois, j’ai pu observer des signes évidents de transport à un seul trou, posant ainsi les bases pour des études plus approfondies sur les points quantiques des trous. / Aiming towards largely integrated quantum bits (qubits) requires thedevelopment of solid-state, two-level quantum systems, such as spins inquantum dots or Majorana fermions in one-dimensional wires. Holes confinedin low-dimensional, germanium-based heterostructures are good candidatesfor such qubits because they offer i) large spin-orbit interaction(SOI), leading to conveniently large g factors, ii) reduced hyperfine coupling,which is important for long spin coherence, and iii) relatively loweffective masses, favoring quantum confinement. In this thesis, I have investigatedhole transport in one- and two-dimensional systems made fromcompressively strained Ge/Si_0.2Ge_0.8 heterostructures. An important partof my research work has been devoted to developing the recipes for devicefabrication. I have started from the fabrication of gated Hall bardevices from nominally undoped Ge/SiGe heterostructures. I have studiedtwo types of the heterostructures embedding a strained Ge quantumwell: one where the Ge well is at the surface, hence easily accessible tometal contacts, and one where it is buried 70 nm below the surface, aconfiguration resulting in higher hole mobility. The electronic propertiesof the two-dimensional hole gas confined to the Ge well were studied bymeans of magneto-transport measurements down to 0.3 K. My measurementsrevealed a dominant heavy-hole character, which is expected fromthe presence of a compressive strain in combination with two-dimensionalconfinement. The surface-Ge devices showed diffusive transport and a weakanti-localization effect, which is due to SOI in combination with quantuminterference. The fact that the Ge quantum well is located at the surfaceallows for relatively large perpendicular electric fields and hence enhancedRashba-type SOI. I was able to estimate a spin splitting of around 1 meV.For the realization of quantum nano-devices, I used the heterostructure witha buried Ge well where the hole mobility approaches 2×105 cm2/Vs. Usinge-beam lithography, sub-micron metal gates were defined on sample surfacein order to create one-dimensional constrictions in the two-dimensional holegas. I succeeded in observing conductance quantization in hole quantum wires with a length up to ~ 600 nm. In these wires I investigated the Zeemansplitting of the one-dimensional subbands, finding large perpendicularg-factors as opposed to small in-plane g-factors. This strong anisotropyindicates a prevailing heavy-hole character, which is expected in the caseof a dominant confinement in the perpendicular direction. The large g factorsand the ballistic one-dimensional character are favorable properties forthe realization of Majorana fermions. Finally, I have begun to explore thepotential of Ge-based heterostructures for the realization of quantum-dotdevices, having in mind applications in spin-based quantum computing.During the last months, I was able to observe clear evidence of single-holetransport, laying the ground for more in-depth studies of hole quantumdots.

Le contrôle de l’aimantation sans application de champ magnétique externe est un domaine de recherche en plein essor, étant prometteur pour les applications technologiques d’enregistrement magnétique et de spintronique. En 2007, Stanciu et al. ont découvert la possibilité de retourner l’aimantation dans un film fait d’alliage ferrimagnétique de GdFeCo en utilisant des impulsions laser femtoseconde. Longtemps cantonné aux alliages de GdFeCo, ce retournement tout-optique s’avère un phénomène plus général, puisqu’il a été mesuré plus récemment dans une large variété de matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. Cette découverte a ainsi ouvert la voie à l’intégration de l’écriture tout-optique dans l’industrie des mémoires magnétiques. Néanmoins, l’ensemble des modèles théoriques expliquant le retournement tout-optique dans le GdFeCo ne semblent pas s’appliquer aux autres matériaux magnétiques, mettant ainsi en question l’unicité de l’origine microscopique de ce phénomène. Au cours de cette thèse, nous avons étudié la réponse aux impulsions laser femtoseconde des alliages ferrimagnétiques et des multicouches ferromagnétiques, dans l'objectif d'élucider divers aspects du mécanisme du retournement optique. Nous avons élucidé expérimentalement les paramètres magnétiques gouvernant le retournement tout-optique. Nous avons montré que l’observation du retournement tout-optique nécessite des domaines magnétiques plus grands que la taille du faisceau laser pendant le processus de refroidissement, un critère qui est commun à la fois aux matériaux ferrimagnétiques et ferromagnétiques. En outre, nous nous sommes intéressés à l’intégration du retournement tout-optique dans des dispositifs de spintronique. Grâce à une caractérisation temporelle de l’aimantation dans des croix de Hall via l’effet Hall extraordinaire, nous avons distingué entre deux types de mécanismes du retournement optique. Le premier type est un retournement purement thermique obtenu avec une impulsion unique dans les alliages ferrimagnétiques de GdFeCo, tandis que le deuxième type est un retournement cumulative et à deux régimes dans les alliages ferrimagnétiques de TbCo et les multicouches ferromagnétiques de Co/Pt. Ce dernier consiste en une formation indépendante de l’hélicité de multidomaines magnétiques suivie d'une ré-aimantation dépendante de l'hélicité sur plusieurs dizaines de millisecondes. / The control of magnetization without external magnetic fields is an emergent field of research due to the prospect of impacting many technological applications such as magnetic recording and spintronics. In 2007, Stanciu et al. discovered an intriguing new possibility to switch magnetization in a ferrimagnetic GdFeCo alloy film using femtosecond laser pulses. This all-optical switching of magnetization had long been restricted to GdFeCo alloys, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic and ferromagnetic materials. This discovery paved the way for an integration of the all-optical writing in storage industries. Nevertheless, the theoretical models explaining the switching in GdFeCo alloys films do not appear to apply in the other materials, thus questioning the uniqueness of the microscopic origin of all-optical switching. In this thesis, we have investigated the response of femtosecond laser pulses in ferrimagnetic alloys and ferromagnetic multilayers to the action of femtosecond laser pulses, in order to elucidate several aspects of the all-optical switching mechanism. We have experimentally studied the magnetic parameters governing the all-optical switching. We showed that the observation of all-optical switching requires magnetic domains larger than the laser spot size during the cooling process; such a criterion is common for both ferrimagnets and ferromagnets. Furthermore, we have investigated the integration of all-optical switching in spintronic devices via the anomalous Hall effect. Through a time-dependent electrical investigation of the magnetization in Hall crosses, we distinguished between two types of all-optical switching mechanisms. The first type is the single-pulse helicity-independent switching in ferrimagnetic GdFeCo alloy films as shown in previous studies, whereas the second is a two regimes helicity-dependent switching in both ferrimagnetic TbCo alloys and ferromagnetic Co/Pt multilayers. The latter consists in a step-like helicity-independent multiple-domain formation followed by a helicity-dependent remagnetization on several tens of milliseconds.

Les nano-oscillateurs à transfert de spin (STNO) sont des candidats prometteurs pour la réalisation de composants radiofréquence (RF) intégrés, du à leur taille nanométrique, l'importante gamme de fréquences de base qu'ils peuvent couvrir, ainsi qu'à leur accordabilité autour de ces fréquences de base. Le signal RF est obtenu grâce à l'effet de transfert de spin (STT) qui donne lieu à une oscillation non-linéaire de l'aimantation dans un élément magnétorésistif. Jusqu'ici, ces excitations ont été examinées dans le cadre d'une couche magnétique isolée, c'est-à-dire sans prendre en compte le couplage entre couches. Cependant, nombreux aspects du spectre d'excitation ne peuvent pas être expliqués si l'on considère une couche isolée. Dans cette thèse nous nous attacherons à répondre à la question importante du couplage dynamique entre couches magnétiques dans un nanopilier magnétorésistif, afin de développer une meilleure compréhension des spectres d'excitation, et en particulier la dépendance en courant et champ magnétique appliqué des caractéristiques du pic d'émission, telles que la largeur de raie et la fréquence. Une première étude est réalisée pour un système composé de deux couches ferromagnétiques, couplées entre elles par le couplage RKKY (ce système est appelé un ferrimagnétique synthétique (SyF)). Le couplage induit des différences importantes dans la dépendance en courant de la fréquence par rapport aux excitations d'une couche isolée. Ces différences sont expliquées par l'important couplage dynamique RKKY. Une seconde étude prend en considération une interaction plus complexe, ayant lieu dans un nano-pilier STNO standard basé sur jonctions tunnel ou vannes de spin. Ce dispositif est composé d'un SyF ainsi que d'une couche libre(FL) magnétique, séparés par une fine couche métallique ou isolante. Pour ce système, en plus du couplage dynamique RKKY propre au SyF, nous prenons en compte le couplage dynamique généré par le champ dipolaire ainsi que le spin-torque mutuel (MSTT) entre la couche libre et le SyF. Ce couplage multiple donne lieu à deux signatures distinctes. La première est l'apparition d'un « saut » dans le spectre d'excitation dû à l'hybridation des modes SyF and FL dans le régime atténué. Le second est dû à l'interaction entre les excitations en régime entretenu, éventuellement via leurs composantes harmoniques, avec les excitations en régime atténué. Cette interaction donne lieu à des discontinuités dans la dépendance fréquence – champ, ce lorsque les excitations FL sont prédominantes. Il est intéressant de noter que cela mène à des régions ou la largeur de raie est diminuée. De plus, lorsque les excitations SyF sont prédominantes, la largeur de raie est diminuée par rapport aux cas ou les excitations FL sont prédominantes. Partant de ces observations, nous proposons une structure plus complexe, où un seconde couche de type SyF remplace la couche libre. Les résultats obtenus par une combinaison d'expériences, de simulations numériques et d'analyse analytique, montrent le rôle important des interactions dynamiques dans un nano-pilier. Ils ouvrent de nouvelles voies pour la conception de configurations STNO qui mèneront à des améliorations des performances du signal ainsi synthétisé. / Spin-torque nano-oscillators (STNOs) are promising candidates for integrated radiofrequency (RF) components due to their nanoscale size, the large range of base frequencies that can be covered, as well as the large achievable tuning ranges around the base frequency. The RF signal is obtained due to the spin transfer torque (STT) generating a non-linear magnetization oscillation in a magnetoresistive device. In the past, these excitations were investigated using the picture of a single (or independent) layer. However, many features of the excitation spectra observed experimentally in nanopillar devices cannot be explained considering a single layer. In this thesis we address the important question on the dynamical coupling between the magnetic layers inside a magneto-resistive nanopillar device, to gain a better understanding of the excitation spectra, i.e. the dependence of the frequency and the linewidth on current and applied magnetic field. A first study is realized for a coupled system, composed by two ferromagnetic layers, coupled by the interlayer RKKY coupling (so called Synthetic Ferrimagnet SyF). Due to the coupling the frequency dependence versus current is different as compared to excitations of a single layer. This is explained by the strong dynamical RKKY coupling. A second study considers a more complex interaction, occurring within standard STNO nanopillar spin valves or tunnel junctions. They are composed by a SyF separated by a metallic or insulating spacer respectively from the single free layer (FL). For this system we take into account besides the RKKY coupling within the SyF, also the dynamical dipolar field coupling and the mutual spin torque (MSTT) between the SyF and the free layer. We find two definite signatures arising from this coupling. The first is a gap in the steady state excitation spectra that is due to the hybridization of the SyF and FL modes in the damped regime. The second is the possibility of the spintorque driven excitation or its harmonics with the damped modes leading to discontinuities in the frequency field dependence when the free layer is dominantly excited. Interestingly this leads to a region of reduced linewidth. Furthermore for SyF layer dominated excitations, the linewidth is lower than in the FL dominated excitations. From these observations we propose a more complex structure, composed by two SyF layers where the single FL is replaced by a SyF. The results obtained by a combination of experiments, numerical simulations and analytical analysis, demonstrate the important role of the dynamic interactions in nanopillar STNOs and provide routes for designing novel STNO configurations that should lead to improved microwave performances.

Le but de cette thèse est double: tester un solveur micromagnétique utilisant les éléments finis (feeLLGood), et étudier la dynamique d'aimantation pilotée par transfert de spin dans le but de comprendre des mesures expérimentales de plusieurs composants spintroniques. Deux schémas temporels implémentés dans le code ont été testés et comparés à d'autres solveurs, en particulier un code différences finies (ST_GL-FFT). Les comparaisons entre les résultats de simulations ont confimé la validité de feeLLGood, et ont montrés des artefacts numériques dans les simulations différences finies. D'autres pars, les simulations numériques ont permis des analyses approfondies de trois types de dispositifs spintroniques. (1) Des sauts en fréquences ont été étudiés dans l'oscillateur à transfert de spin planaire. Grâce à des techniques de cartographies spectrales , les sauts ont été attribués à l'excitation de modes non-linéaires. (2) Le diagramme d'état d'un oscillateur à transfert de spin composé d'un polariseur perpendiculaire et d'une couche libre planaire a été exploré, mettant en évidence plusieurs modes d'oscillation dépendant de l'état initial. De plus, le désaccord entre les simulations effectuées en différences finies et en éléments finis a montré l'effet d'un bord crennelé. (3) La commutation précessionelle induite par couple de transfert de spin a été simulée pour comprendre l'influence du champ de fuite du polariseur sur la probabilité de renversement. Un bon accord avec les mesures expérimentales sur STT-MRAM a été obtenu . / The goal of this PhD thesis has been two-fold: test a Finite Element micromagnetic solver (feeLLGood), and study spin-transfer-driven magnetisation dynamics to understand experimental measurements of several spintronic devices. Two time schemes implemented in the code have been benchmarked against other solvers, in particular against a Finite Difference code (ST_GL-FFT). Comparisons of the simulation results confirmed the accuracy of feeLLGood and showed artefacts in Finite Difference simulations. On the other hand, numerical simulations have allowed in-depth analyses of three types of spintronic device. (1) Frequency jumps have been studied in a planar Spin Torque Oscillator. Thanks to spectral mapping techniques, the jumps were shown to be linked to the excitation of non-linear modes. (2) The state diagram of a perpendicular-polariser/planar-free-layer Spin Torque Oscillator has been explored, showing various oscillation modes depending on the initial state. Moreover, discrepancy between Finite Difference and Finite Element simulations showed the effect of a staircase-like edge. (3) Precessional switching induced by spin transfer torque has been simulated to understand the influence of the polariser's stray field on the switching probability. A good agreement with experimental measurements of STT-MRAM has been found.

L’auto-oscillateur à transfert de spin est un nano système dont la preuve de concept fut donnée au début des années 2000. Il possède un fort potentiel applicatif dans le domaine des sources microonde à fréquence variable. Ses avantages sont : une fréquence émise dans la gamme RF (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), une haute accordabilité grâce à la non linéarité et la possibilité de s’intégrer avec les procédés de l’électronique traditionnelle. Néanmoins à cause de sa taille, l’oscillateur est fortement perturbé par l’agitation thermique et il faut chercher différentes stratégies pour augmenter sa cohérence spectrale. Une solution prometteuse est la synchronisation mutuelle d’oscillateur. Afin de définir les meilleurs schémas de synchronisation, il est important d’étudier et de caractériser la synchronisation à une source externe.Ce travail, d’ordre théorique, traite la synchronisation d’un oscillateur spintronique à un signal microonde. L’équation de mouvement de l’aimantation (équation de Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski) est transformée en une équation d’amplitude complexe, qui permet de traiter les différents mécanismes de synchronisation de manière unifiée. En particulier, nous introduisons les forçages canoniques de l’oscillateur, transformés des couples {m x ui, m x m x ui}i=x,y,z et discutons leurs propriétés de synchronisation en fonction des paramètres non-linéaires. Dans le cas où l’oscillateur est fortement non isochrone (|| >> 1), il est possible de simplifier le problème pour traiter la combinaison de forçages canoniques, le régime transitoire, le régime de synchronisation sous température et sous fort signal externe. Les études analytiques sont confrontées aux études numériques et expérimentales pour un oscillateur à base d’une jonction tunnel. / The spin-transfer torque oscillator is a nano-sized system which could be part of the next generation of microwave current controlled oscillator. It combines several advantages as a frequency generation in the microwave range (f ≈ 200 MHz – 20 GHz), high tunability thanks to non-linearity and being fully compatible with CMOS technology. However, the oscillator is strongly affected by thermal fluctuations as every nano-sized system, which strongly degrades its spectral coherency. To solve this issue, the most promising strategy is to mutually synchronize an array of oscillators. In order to find the best synchronization schemes, one has to better understand the synchronization of the oscillator to an external source.The present work is essentially theoretical and consists to study the synchronization of a spintronic oscillator to a microwave external signal. The dynamic equation of the magnetization (Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation) is transformed in a simplified complex amplitude equation, which allows to address the different synchronizations mechanisms in a unified way. In particular, we introduce the canonical forcing function of the oscillator by transforming the torques {m x ui, m x m x ui} i=x,y,z and then discuss their synchronization properties. If the oscillator is strongly non-isochronous (|| >> 1), it becomes possible to address the combination of forcing functions, study of the transient regime, study of synchronization under thermal noise or under strong amplitude external signal. Analytical studies are compared with numerical simulations and experiments on magnetic tunnel barrier oscillators.

Visant des applications en électronique moléculaire, de nouveaux édifices moléculaires combinant quatre dithiényléthènes (DTEs) et une porphyrine ont été synthétisés par de nouvelles voies de synthèse. Les études en solution par photochimie ou spectroélectrochimie des édifices tetraDTEs-porphyrine métallée ou base livre ont montré l’efficacité (62-88 pourcent) des photochromes en tant qu’interrupteurs et la possibilité de lire l’état des DTEs par la fluorescence de la porphyrine. Pour mieux comprendre les interactions électroniques DTEs- porphyrines, des édifices plus simples, bis(porphyrine)DTE, déjà partiellement étudiés dans la littérature, ont été explorés. L’ensemble de ces études à mis en évidence l’impact des métaux sur la capacité photochromique des édifices dithiényléthène – porphyrine. / The main purpose of this thesis was the synthesis of new molecular structures, combining dithienylethenes and porphyrins, for applications in molecular electronics and spintronic. Metallated and free base porphyrins bearing four DTEs were characterizes and studied in solution by photochemistry and spectroelectrochemistry. The efficiency of switching of our systems reach 88 percent and strong quenching porphyrin’s fluorescence was reported. New synthetic pathways were investigated to prepare a broader scope of tetraDTEs-porphyrin derivatives. Moreover, to better understand the electronic communications between DTEs and porphyrins, a simpler bis(porphyrin)DTE molecular structure was synthetized and studied. These studies demonstrated showed the important role of the metal on photochromic behavior of dithienylethene – porphyrin architectures.

La spintronique multifonctionnelle est une nouvelle direction d'avancement pour aller au-delà des limites de l'électronique moderne. Il vise à développer des dispositifs qui seraient sensibles à plus d’un stimulus et/ou ont un signal multi-réponse. Dans cette thèse, nous explorons cette voie multifonctionnelle émergente en combinant l’électronique de spin et les systèmes organiques pour ouvrir la voie vers des dispositifs polyvalents. Nous étudions la formation d'une spinterface dans le système Co/manganèse-phthalocyanine. Nous proposons l'introduction de multifonctionnalités intrinsèques en utilisant des matériaux à transition de spin. Nous développons une nouvelle approche de fonctionnalisation pour ajuster leurs propriétés vers des applications. Nous proposons un contrôle fonctionnel externe sur une spinterface en utilisant un substrat multiferroïque. Dans le cadre de cette thèse, un insert polyvalent à température variable a été développé à la ligne de lumière DEIMOS du synchrotron SOLEIL. Nous démontrons comment il peut être utilisé pour sonder des atomes actifs dans n'importe quel dispositif électronique. / Multifunctional spintronics is a new direction of advancement beyond the limits of modern electronics. By combining elementary charge of an electron and its spin, it aims to develop devices which would be sensitive to more than one stimuli and/or have multiresponse signal. In this thesis, we explore the multifunctional potential emerging while combining spin electronic and organic systems to pave the way towards multipurpose devices. First, we study formation of a ferromagnetic/organic spinterface in Co/manganese-phthalocyanine system. We propose introduction of intrinsic multifunctionality by using spin crossover materials. We develop a novel functionalization approach for tuning their properties towards device applications. We propose an external functional control over any hybrid spinterface by using multiferroic substrate. In the framework of this thesis, a Versatile Variable Temperature Insert was developed at the DEIMOS beamline of the SOLEIL synchrotron. We demonstrate how it can be used to probe active atoms in any microelectronic device.