No description available.

Cette thèse est consacrée aux recherches des propriétés statiques et dynamiques des parois de domaines magnétiques (DW pour Domain Wall) dans les nanofils CoFeB. Un système de mesure basé sur un microscope Kerr à haute résolution a été mis en place et utilisé pour ces recherches.Tout d'abord, les phénomènes liés à la tension interfaciale des parois ont été étudiés. La contraction spontanée des bulles de domaine a été observée directement en utilisant le microscope Kerr. Ce phénomène a été expliqué en utilisant le concept de la pression de Laplace due à l'énergie interfaciale des parois. L'énergie interfaciale des parois a été quantifiée en mesurant le champ externe nécessaire pour stabiliser ces bulles. Le mécanisme de la piégeage et de la dépiégeage des parois dans certaines géométries artificielles, comme la croix de Hall ou l'entrée reliant un carré de nucléation et un fil, a été expliqué en utilisant le concept de tension interfaciale des parois et a été utilisé pour extraire l'énergie interfaciale des parois. Bénéficiant de ces études, une méthode permettant de quantifier directement le coefficient des Interactions de Dzyaloshinskii- Moriya (DMI pour Dzyaloshinskii- Moriya Interaction) à l'aide du microscope Kerr a été proposée. En outre, un nouveau type de capteur magnétique basé sur l'expansion réversible de paroi en raison de la tension interfaciale a été proposé et vérifié en utilisant des simulations micromagnétiques.Deuxièmement, les propriétés dynamiques des parois dans le film et les fils Ta / CoFeB / MgO ont été étudiées. La vitesse du propagation des parois induite par le champ magnétique ou par l'effet combiné des impulsions de champ magnétique synchronisées et des impulsions de courant électrique a été mesurée. En régime précessionne, la vitesse du mouvement DW induite par l'effet combiné du champ et du courant est égale à la superposition des vitesses entraînées par le champ ou le courant indépendamment. Ce résultat nous a permis d'extraire la polarisation de spin de CoFeB dans cette structure. Les effets de piégeage du mouvement des parois dans les fils étroits ont été étudiés. Des champs de dépiégeage associés aux gros défauts pour le mouvement des parois induit par champ dans les nanofils a été mesurée. Il a été constaté que les effets de piégeage deviennent plus sévères lorsque la largeur w des fils diminue. Une relation linéaire entre le champ de piégeage et 1/w a été trouvée. L'origine de ces sites d'ancrage durs ainsi que leurs influences sur la vitesse de mouvement des parois ont été discutées. En outre, il a été constaté que l'effet d'épinglage était amélioré lorsque le courant était appliqué, quelle que soit la direction relative entre le mouvement des parois et le courant. Cet accroissement pourrait être expliqué par l'effet du courant de Hall de spin de la sous-couche (Ta). Bien qu'il n'y ait pas eu de DMI ou de champ planaire, le courant de Hall de spin, polarisé dans la direction transversale, peut exercer un couple sur la parois de type de Bloch, une fois que la paroi s'éloigne de la direction transversale.Enfin, un dispositif mémoire de circuit en forme d'anneau basée sur le travail combiné de STT et SOT a été proposée. Comparée à la mémoire de piste traditionnelle en forme de ligne, cette mémoire en forme d'anneau permet au paroi de demaine de se déplacer dans un nanofil en forme d'anneau sans être éjecté, évitant ainsi la perte des informations associées. Le travail de conception et d'optimisation a été réalisé avec des simulations micromagnétiques. / This thesis is dedicated to the research of the static and dynamic properties of magnetic Domain Walls (DWs) in CoFeB nanowires. A measurement system based on a high-resolution Kerr microscope was implemented and used for these research.First, phenomena related to the DW surface tension was studied. A spontaneous collapse of domain bubbles was directly observed using the Kerr microscope. This phenomenon was explained using the concept of the Laplace pressure due to the DW surface energy. The surface energy of DW was quantified by measuring the external field required to stabilize these bubbles. The DW pinning and depinning mechanism in some artificial geometries, such as the Hall cross or the entrance connecting a nucleation pad and a wire, was explained using the concept of DW surface tension and was used to extract the DW surface energy. Benefited from these studies, a method to directly quantify the coefficient of Dzyaloshinskii- Moriya Interactions (DMI) using Kerr microscope has been proposed. In addition, a new type of magnetic sensor based on the revisable expansion of DW due to DW surface tension was proposed and verified using micromagnetic simulations.Second, the dynamic properties of DWs in Ta/CoFeB/MgO film and wires were studied. The velocity of DW motion induced by magnetic fields or by the combined effect of synchronized magnetic field pulses and electrical current pulses was measured. In steady flow regime, the velocity of DW motion induced by the combined effect of the field and the current equals to the superposition of the velocities driven by field or current independently. This result allowed us to extract the spin-polarization of CoFeB in this structure. Pinning effects of DW motion in narrow wires was studied. Depinning fields of hard pinning sites for the field-driven DW motion in nanowires was measured. It was found that the pinning effects become severer as the width w of the wires scaled down. A linear relationship between the depinning field and w was found. The origin of these hard pinning sites, as well as their influences on the DW motion velocity, was discussed. Furthermore, it was found that the pinning effect was enhanced when a current was applied, no matter the relative direction between the DW motion and the current. We propose a possible explanation, which would be an effect of the spin Hall current from the sublayer (Ta). Although there was no DMI or in-plane field, the spin Hall current, which was polarized in the transverse direction, can still exert a torque on the Bloch DW, once the DW tilts away from the transverse direction.At last, a ring-shaped racetrack memory based on the combined work of STT and has been proposed. Compared with the traditional line-shaped racetrack memory, this ring-shaped memory allows the DW moving in a ring-shaped nanowire and the data dropout problem can be avoided. The design and optimization work was performed with micromagnetic simulations.

Les ondes de spin sont une des voies technologiques proposées pour surmonter les obstacles que rencontre la miniaturisation des complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) dans la gamme du nanomètre, comme en témoignent les derniers développements en matière de dispositifs logiques à ondes de spin. Cependant, l'attrait industriel de ces preuves de concept est conditionné par leur intégration évolutive à la technologie CMOS. Ici, nous présentons des pistes ultrafines de Ta/CoFeB/MgO utilisées comme guides d'ondes de spin. Ce système a été choisi pour sa compatibilité avec les procédés CMOS, son anisotropie magnétique perpendiculaire et ses fortes interactions spin-orbite. Ces derniers sont intéressants pour manipuler les ondes de spin et ont été caractérisés par résonance ferromagnétique à couple de spin où il est démontré que l'effet Hall de spin inverse est responsable de la détection de la dynamique de magnétisation. Ensuite, nous utilisons des guides d'ondes coplanaires nanométriques intégrés pour exciter localement des ondes de spin dans une large gamme de vecteurs d'ondes. La comparaison du spectre d'ondes de spin mesuré avec les calculs analytiques montre que l'effet Hall de spin inverse permet la détection des ondes de spin indépendamment de leur vecteur d'onde avec des longueurs d'onde allant jusqu'à 150 nm. Des expériences complémentaires de diffusion de la lumière de Brillouin révèlent que les ondes de spin dans le guide d'ondes de spin ultra-mince à anisotropie magnétique perpendiculaire ont des longueurs de propagation étonnamment élevées compte tenu de l'amortissement relativement élevé des systèmes Ta/CoFeB/MgO. Ces résultats ouvrent la voie à des dispositifs à ondes de spin ultraminces compatibles CMOS avec des techniques d'excitation et de détection évolutives jusqu'à l'ordre du nanomètre, avec la perspective de contrôler les ondes de spin via des couples spin-orbite. / Spin-waves have been proposed as a possible technological path to overcome the hurdles encountered by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) into the nanometer range, demonstrated by recent developments in spin-wave-based logic devices. However the industrial appeal of these proofs-of-concept is conditional upon their scalable integration with CMOS technology. Here, we report on ultrathin Ta/CoFeB/MgO wires used as spin-wave waveguides. This system is chosen for its compability with CMOS processes, its perpendicular magnetic anisotropy and strong spin-orbit interactions. The latter are of interest for manipulating spin waves and are characterized via spin-torque ferromagnetic resonance where it is shown that the inverse spin Hall effect is responsible for the detection of magnetization dynamics. Following this, we use integrated nanometric coplanar waveguides to locally excite spin-waves in a broad range of wavevectors. Comparison of the measured spin-wave spectrum with analytical calculations show that the inverse spin Hall effect allows the wavevector-independent detection of spin-waves with wavelengths down to 150 nm. Complementary Brillouin light scattering experiments reveal that spin-waves in the ultrathin spin-wave waveguide with perpendicular magnetic anisotropy have unexpectedly high propagation lengths considering the relatively high damping in Ta/CoFeB/MgO systems. These findings pave the way for ultrathin CMOS-compatible spin-wave devices with excitation and detection techniques that are scalable into the nanometer range, with the prospect of controlling spin-waves via spin-orbit torques.

Les jonctions tunnel magnétiques épitaxiées Fe/MgO/Fe(001) présentent des comportements remarquables dans la limite des faibles ou des fortes épaisseurs de MgO. Ainsi, dans le premier cas, une interaction antiferromagnétique entre les deux couches de fer est observée ; dans le second, des effets de filtrage en symétrie conduisent à l?obtention de fortes valeurs de magnétorésistance. Les expériences réalisées au cours de cette thèse visent à étudier et mettre en relation ces deux régimes de propriétés extrêmes. Des analyses en tension et en température nous permettent d?étudier les conséquences d?une modulation de la structure cristalline des électrodes et/ou de l?interface sur le transport polarisé en spin. Dans ce cadre, nous nous intéressons à trois systèmes : des jonctions hybrides Fe/MgO(001)/CoFeB, où l?électrode de CoFeB est déposée par pulvérisation cathodique puis cristallisée in situ, des jonctions Fe/MgO/Fe à texture (001), ainsi que des jonctions Fe/MgO/Fe monocristallines présentant une rugosité artificielle à l?interface barrière/électrode. Le couplage antiferromagnétique dans des systèmes Fe/MgO/Fe(001) à barrière fine est étudié grâce à des mesures de magnétométrie sur la gamme de température [5 K ; 500 K]. Nous considérons aussi l?effet de modifications structurales et/ou chimiques de l?interface par le biais de l?introduction d?une rugosité contrôlée ou d?un contaminant. Les résultats les plus originaux de cette thèse sont obtenus grâce à l?introduction d?une rugosité artificielle à l?interface Fe/MgO ; contre toute attente, ce désordre contrôlé peut en effet augmenter l?effet de magnétorésistance ou l?intensité du couplage antiferromagnétique / Epitaxial magnetic tunnel junctions Fe/MgO/Fe(001) exhibit noteworthy behaviors for both small and large MgO thicknesses. In the first case, a strong antiferromagnetic interaction between Fe layers is observed, whereas symmetry filtering effects occur for large barriers, leading to high TMR values. The aim of the experiments performed during this thesis is to study and link these two behaviors. We consider the effect of a modulation of electrodes and/or interfaces crystalline structure on spin-polarized transport, by means of temperature and voltage analyses. In this framework, we focus on three systems: Fe/MgO(001)/CoFeB hybrid junctions, where the CoFeB electrode is grown by sputtering and in situ recrystallized, textured Fe/MgO/Fe(001) junctions, and finally single crystalline (001)Fe/MgO/Fe junctions with an artificial roughness at the electrode/barrier interface. The antiferromagnetic coupling in epitaxial Fe/MgO/Fe(001) systems with a thin MgO barrier is studied by magnetometry measurements in the [5 K; 500 K] range. We also consider the effect of structural and/or chemical changes resulting from a controlled roughness or a contamination on the coupling. The most interesting results of this thesis are obtained with the introduction of an artificial roughness at the Fe/MgO interface. Unexpectedly, this controlled disorder can improve the magnetoresistance effect or the coupling intensity. In both cases, this result is attributed to a Fe-O hybridization, which emphasizes the role of oxygen in MgO based magnetic tunnel junctions for both behaviors associated with extremely thin or thick barriers

No description available.

Tunnelmagnetowiderstandselemente (MTJ) mit einer kristallinen MgO Tunnelbarriere zwischen amorphen CoFeB-Elektroden haben Aufgrund ihres hohen Tunnelmagnetowiderstandes (TMR) und der guten Integrationsmöglichkeit in bestehende Prozesse viel Aufmerksamkeit bekommen. Dabei zeigten vorherige Berechnungen, dass die strukturellen und chemischen Eigenschaften der Grenzfläche einen signifikanten Einfluss auf den TMR aufweisen, weshalb diese Grenzfläche im Rahmen dieser Arbeit mittels quantitativer, hochauflösender und analytischer Transmissionselektronenmikroskopie analysiert wurde. Um einen hohen TMR in die diesen Systemen zu erzielen ist ein kristalliner Übergang zwischen der Tunnelbarriere und den Elektroden notwendig. Berechnungen zeigten, dass bereits wenige Monolagen kristallinen Materials an der Grenzfläche ausreichen, um einen hohen TMR in diesen Systemen zu erzielen. Ausgehend von diesen Berechnungen wurde die Mikrostruktur auf der Subnanometer-Skala an der kristallin/amorphen Grenzfläche von MgO-CoFeB in dieser Arbeit untersucht. Die experimentellen Daten wurden hierfür mittels aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie (HRTEM) an Modellsystemproben erstellt und die vom MgO induzierte kristalline Ordnung an der Grenzfläche zum CoFeB mittels iterativen Bildserienvergleichs mit simulierten Daten quantifiziert. Zur Simulation der HRTEM-Grenzflächenabbildungen wurde die „Averaged-Projected-Potential“-Näherung genutzt, welche im Rahmen dieser Arbeit um die Berücksichtigung von monoatomaren Stufen entlang der Strahlrichtung des Mikroskops erweitert wurde. Es zeigte sich, dass mit dieser Methode die Ordnung an der MgO-CoFeB-Grenzfläche von nicht ausgelagerten Systemen gut beschrieben werden kann. In ausgelagerten Systemen kommt es dagegen zu einer Bor-diffusion aus dem a-CoFeB heraus um damit eine Kristallisation am MgO zu ermöglichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden die Bordiffusion und die Kristallisation in Abhängigkeit von der Deckschicht als auch der MgO-Depositionsmethode sowohl an Modellsystemproben als auch an funktionsfähigen MTJs untersucht. Elektronen-Energie-Verlustspektroskopie (EELS) an diesen Proben konnten zeigen, dass sowohl die Deckschicht also auch die MgO-Depositionsmethode einen entscheidenden Einfluss auf die Bor-Diffusion in diesen Systemen ausüben.

In dieser Arbeit wurde magnetische und elastische Dynamik in nanostrukturierten künstlichen Materialien mit Hilfe eines optischen, zeitaufgelösten Pumpprobe Messaufbaus untersucht. Die Absorption der ultraschnellen Laserpulse erzeugt einen Wärmegradienten auf einer Zeitskala von Pikosekunden. Dieser induziert kohärente dynamische Prozesse, welche mit einem zweiten, zeitverzögerten Puls beobachtet werden. In einem zweidimensionalen magnonischen Kristall, bestehend aus einem submikrometer großen Antidotgitter auf einer ferromagnetischen CoFeB Schicht, können Spinwellenmoden beobachtet werden, die eine schwache Frequenzabhängigkeit vom externen magnetischen Feld aufweisen. Dies lässt vermuten, dass Spinwellen in der Nähe von Inhomogenitäten des internen Feldes lokalisieren. Elastische Dynamik auf denselben Strukturen zeigt Frequenzen proportional zu charakteristischen Strukturgrößen (Antidotabstand und Antidotgröße), was auf die Anregung von Spannungswellen auf der Oberfläche hindeutet. Auf CoFeB/MgO Schichtstapeln mit ähnlicher akustischer Impedanz, können sowohl Oberflächenwellen als auch Wellen im Volumen in guter Übereinstimmungmit der Theorie beobachtet werden. Anregung der elastischen Dynamik in Reflektions- und Transmissionsgeometrie zeigen, dass durch das Brechen der Periodizität des Schichtstapels die Amplitude der hochfrequenten Oberflächenwelle effektiv unterdrückt wird. Außerdem sind im W/PC Schichtstapeln mit hohem akustischem Versatz innere Wellen unterdrückt.

Les nouveaux dispositifs de l'électronique de spin nécessitent une meilleure compréhension du comportement hyperfréquence de l'aimantation. Ce travail est consacré au développement de la mesure de la résonance ferromagnétique à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA-FMR), pour caractériser la dynamique de l'aimantation. Bien que prometteuse, la méthode VNA-FMR n'est apparue que récemment et sa standardisation n'est pas encore accomplie. Nous avons établi l'analyse de données appropriée pour une géométrie en transmission d'ondes, où une analyse rigoureuse est possible. Nous avons comparé cette méthode à plusieurs méthodes simplificatrices, notamment l'utilisation d'un circuit ouvert à l'extrémité du guide d'ondes, permettant un dispositif expérimental plus compact. Nous avons étudié plusieurs types de couches minces. Des multicouches Fe/Au ont subi deux traitements de bombardement ionique pour modifier leurs propriétés. En combinaison avec des mesures structurales, les mesures de VNA-FMR ont prouvé clairement les améliorations induites par l'irradiation des couches magnétiques. Nous avons également étudié le phénomène de l'anisotropie d'échange sur des échantillons IrMn/NiFe et IrMn/CoFeB. En utilisant la méthode VNA-FMR, nous avons pu déduire le champ de l'anisotropie d'échange agissant sur l'aimantation pour chaque point du cycle d'hystérésis, démontrant ainsi sa dépendance vis-à-vis de l'histoire du champ magnétique. Enfin, nous avons étudié des alliages de CoFeB, en s'intéressant particulièrement au paramètre d'amortissement et à la raideur d'échange. On a montré que la recristallisation due au recuit thermique provoque une augmentation de l'amortissement.

No description available.

No description available.