Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l'anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l'aimantation par un champ électrique.J'ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l'aide d'un modèle macrospin, j'ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d'une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique.

La paroi de domaine magnétique est un concept essentiel à la compréhension du renversement d'aimantation dans un film ou une nanostructure magnétique, et peut être mise en jeu dans les processus d'écriture et de transmission d'une information dans un nano-dispositif. Théoriquement, nous avons mis en évidence, dans une nanostructure magnétique sans défauts, des effets de confinement sur la propagation d'une paroi sous champ magnétique et/ou sous courant polarisé en spin. Ceci a été illustré par l'étude, par microscopie magnéto-optique, de la propagation de paroi dans des films ultraminces Pt/Co/Pt à anisotropie perpendiculaire. Dans ces films, nous avons réalisé des nano-pistes lithographiées et irradiées à très faible dose par des ions hélium. Ces dispositifs se sont révélés être des systèmes modèles, idéaux pour étudier la propagation de paroi sous champ, et nous ont paru prometteurs pour l'étude de la propagation induite par transfert de spin. Pourtant, pour toute la gamme des impulsions de courant injectées dans ces pistes, aucun des effets de propagation observés expérimentalement n'a pu être attribué au transfert de spin. Au vu de l'évaluation quantitative du courant et de sa polarisation dans la couche de cobalt, ceci est justifié par un rapport défavorable entre l'échauffement par effet Joule et le transfert de spin.<br /><br />Nous avons également construit un magnétomètre Kerr polaire à haute résolution, utilisant un faisceau laser hautement focalisé, dont la résolution, la stabilité et la sensibilité exceptionnelles sont bien adaptées à l'étude de nanostructures magnétiques ultraminces à anisotropie perpendiculaire, et ce jusqu'à des dimensions largement sub-microniques.<br /><br />Enfin, nous avons étudié le renversement de l'aimantation sous champ magnétique dans un empilement de type jonction tunnel magnétique à anisotropie planaire, destiné au développement industriel de mémoires magnétiques à accès aléatoires. L'effet d'un recuit à haute température sur les propriétés magnétiques de cet empilement a été testé. En outre, dans la couche magnétique douce de la jonction tunnel, soumise à un couplage magnétique dipolaire à travers la barrière tunnel, nous avons mis en évidence une asymétrie des processus de nucléation de domaines et de propagation de parois en fonction du sens de balayage du champ, que nous avons associée à de légères inhomogénéités du champ de couplage dipolaire.

Une étude des effets de couplage d'échange et de magnétorésistance dans des systèmes bicouches ferrimagnétique/ ferrimagnétique amorphes a été réalisée grâce aux résultats obtenus à l'aide de diverses techniques complémentaires : mesures d'aimantation, de susceptibilité, de magnétorésistance, réflectométrie de neutrons polarisés et dichroïsme magnétique des rayons X. Tout comme dans le système FeF2/Fe, des propriétés de décalage d'échange inhabituelles ont été observées dans les bicouches Gd40Fe60/Tb12Fe88. Elles ont pu être expliquées, à basse température et des faibles champs de refroidissement, à l'aide d'un modèle de chaîne de spins 1D considérant le gel de la configuration magnétique dans la couche de TbFe lors du refroidissement sous champ. Dans ce cadre nous avons pu expliquer les évolutions du champ d'échange et du décalage en aimantation en fonction de la valeur du champ de refroidissement. En revanche, afin d'expliquer les évolutions de la coercitivité et les effets de traînage magnétique, il nous a fallu tenir compte de l'influence de la température et du renversement du GdFe sur l'évolution des configurations magnétiques au sein du TbFe. Le rôle de domaines latéraux a également été étudié. La présence d'une paroi d'interface bien contrôlée dans les systèmes GdFe/TbFe ou GdFe/GdFe a, de plus, permis d'étudier les effets de magnétorésistance induits par une paroi magnétique d'interface. Si les variations de résistance observées à bas champ s'interprètent en terme d'anisotropie de magnétorésistance, les phénomènes de magnétorésistance intrinsèques aux matériaux amorphes doivent être pris en compte pour expliquer nos observations pour des forts champs magnétiques. Ces résultats ont été finalement utilisés pour comprendre les mesures de magnétorésistance obtenues sur des vannes de spins GdFe/GdFe/Cu/GdFe.

Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.

Les multicouches Fe/Dy présentent des propriétés magnétiques particulières en fonction de la nature des interfaces (rugosité et interdiffusion aux interfaces). Ainsi, l'apparition d'une anisotropie magnétique perpendiculaire au plan des couches apparaît fortement corrélée à la formation d'un alliage amorphe Fe-Dy à l'interface. L'objectif de ce travail est d'étudier les propriétés magnétiques de multicouches amorphes Fe/Dy par simulations Monte Carlo pour différents types d'interfaces. Nous avons considéré un modèle d'anisotropie magnétique basé sur des résultats expérimentaux qui comprend une faible proportion de sites caractérisés par une direction d'anisotropie magnétique en moyenne uniaxiale, les autres sites ayant une direction d'anisotropie aléatoire. Nous avons mis en évidence l'existence d'un profil d'aimantation inhomogène suivant l'épaisseur de la multicouche fortement dépendant du profil de concentration. La dispersion des moments magnétiques de Dy est plus faible dans le cas d'un profil diffus, contrairement à celle des moments magnétiques de Fe. La simulation de cycles d'hystérésis nous a permis d'obtenir un bon accord qualitatif avec les résultats expérimentaux. En particulier, notre modèle d'anisotropie permet de mettre en évidence l'ouverture des cycles pour un champ appliqué dans le plan des couches en raison de l'influence de l'anisotropie aléatoire. orsque le champ appliqué est perpendiculaire au plan des couches, les cycles d'hystérésis obtenus dans le cas du profil diffus sont caractéristiques d'une anisotropie perpendiculaire.

La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches.

Nous avons étudié à température ambiante le retournement de l'aimantation par microscopie magnéto-optique Kerr longitudinale de trois couches minces La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) déposées sur des substrats SrTiO3 vicinaux et non vicinaux. Ce matériau ferromagnétique à température ambiante présente un intérêt pour la réalisation des dispositifs magnétorésistifs non refroidis. Avant de concevoir un capteur magnétorésistif, il est indispensable de comprendre le comportement magnétique du matériau qui le constitue. Nous avons observé trois types de retournement de l'aimantation (retournement par nucléation et propagation de parois, retournement cohérent, ou mélange des ces deux types). Nous avons montré l'effet de plusieurs paramètres (orientation du champ magnétique par rapport aux marches et au courant électrique, taille du motif et épaisseur de la couche). Une dépendance temporelle du retournement de l'aimantation a été également remarquée. La magnétorésistance à très faible champ magnétique est influencée par la présence ou l'absence de parois de domaine et par l'orientation du champ par rapport au courant et marches. La mesure des différentes sensibilités magnétiques conduit à une sensibilité de 1000 %/T dans l'échantillon vicinal de petite épaisseur, ce qui est dix fois plus que dans une couche non vicinale, tout en conservant le même niveau de bruit à basse fréquence. Ces résultats ouvrent donc des perspectives intéressantes en termes d'applications.

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.

Ce travail de thèse a été consacré à l'étude à la fois théorique et expérimentale de la dynamique de l'aimantation assistée par un champ électrique dans un dispositif à base de (Ga,Mn)As. Une couche de (Ga,Mn)As, dont l’anisotropie magnétique est complexe, est un matériau de choix pour la manipulation de l’aimantation par un champ électrique.J’ai présenté une stratégie de retournement précessionnel de l'aimantation qui tire partie de la réduction transitoire de l'anisotropie cubique provoquée par une courte impulsion de champ électrique. A l’aide d’un modèle macrospin, j’ai démontré notamment qu'une impulsion de champ électrique de quelques ns de durée est suffisante pour basculer l'aimantation entre deux positions d'équilibres.L'aspect expérimental est basé sur l'utilisation d'une jonction p-n tout semi-conducteur dont la région dopée p est formée par une couche mince de (Ga,Mn)As. La déplétion des porteurs de charge dans le canal semi-conducteur provoquée par l'application d'un train d'impulsions de tension de courte durée induit une forte diminution du champ d'anisotropie cubique. L'étude expérimentale du renversement de l'aimantation en champ magnétique a conduit à la mise en évidence d'un retournement de l'aimantation via la nucléation et la propagation de parois et d’une distribution large des champs de piégeage. L'inhomogénéité magnétique au sein de la couche de (Ga,Mn)As a empêché l'observation d'une résonance ferromagnétique induite par un champ électrique. Néanmoins, des mesures de retournement avec une ou plusieurs impulsions de tension de grille ont permis de proposer un processus de renversement de l'aimantation induit par un champ électrique. / This work has been devoted to the study of both theoretical and experimental electric field induced magnetization dynamics in a (Ga,Mn)As based device. A layer of (Ga,Mn)As, whose magnetic anisotropy is complex, is of particular interest for magnetization manipulation by electric fields.I proposed a scheme for the precessional switching of the magnetization using cubic anisotropy field reduction triggered by electric field pulse. Using a model macrospin, I demonstrated that a ns-pulse is sufficient to switch the magnetization between two equilibrium positions.An all-semiconductor epitaxial p-n junction based on low-doped (Ga,Mn)As was fabricated. Gating effects triggered by low voltage pulses induced a strong decrease of the cubic anisotropy field. I demonstrated that magnetization reversal is dominated by the nucleation and the propagation of domain walls. The distribution of pinning fields was found to be broad. Due to a magnetic inhomogeneity of the (Ga,Mn)As layer, it was not possible to observe any ferromagnetic resonance induced by an electric field. However, I proposed a magnetization reversal scenario based on single or multiple gate voltage pulses measurements

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.