Un nouveau matériau spintronique, Mn4N, a été étudié. Les couches minces ferrimagnétiques Mn4N possèdent une aimantation spontanée Ms relativement petite et une forte anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et conviennent donc aux dispositifs à mémoire à couple de rotation. De plus, Mn4N est composé uniquement d’éléments bon marché, légers et abondants, sans terres rares ni métaux nobles, et donc exempt de criticité matérielle. Dans ce travail, les propriétés magnétiques et de magnéto-transport de Mn4N développé sur un substrat de SrTiO3 (STO) ont été évaluées.Tout d'abord, les propriétés magnétiques et magnéto-transport des films minces de Mn4N sont évaluées, ce qui permet de constater leur amélioration spectaculaire en remplaçant les substrats classiques en MgO par des substrats en STO. Ce système Mn4N / STO présente des propriétés étonnantes: une structure de domaine de taille millimétrique, une aimantation totalement rémanente à champ nul et une commutation d’aimantation nette provoquée par une faible nucléation de domaine inversé et une propagation en douceur de DW. Ces propriétés, associées à un très petit Ms et à un grand PMA, soulignent son potentiel pour les applications spintroniques.Deuxièmement, l’efficacité de génération du couple de transfert de spin (STT) dans le film mince Mn4N a été mesurée en mesurant la vitesse de la paroi de domaine (DW) entraînée par des impulsions de courant. La vitesse DW atteint des valeurs record de 900 m / s pour une densité de courant de 1,3 × 10 12 A / m2. Cette valeur est la plus élevée de tous les systèmes pilotés par le STT et est comparable à la vitesse la plus élevée obtenue avec les SOT. La mobilité DW η est également très grande, la plus élevée de tous les systèmes basés sur STT. L'ajustement de nos données à l'aide d'un modèle analytique 1D permet d'extraire une polarisation de spin des électrons de conduction de 0,81, ce qui suggère que Mn4N pourrait convenir à l'obtention de grandes magnétorésistances. De plus, ces propriétés étonnantes ont été obtenues sans aucun élément de terre rare, aucune structure d’empilement, ni assistance extérieure telle que des champs magnétiques / électriques ou des contraintes mécaniques.Enfin, les propriétés magnétiques ont été ajustées par une petite quantité d'introduction de Ni dans Mn4N. L'aimantation spontanée de Mn4N sur STO a été réduite par l'introduction de Ni avec maintien d'un PMA fort et rémanence totale. Ce résultat indique que le système ferrimagnétique Mn4N pourrait être compensé en substituant des atomes de Ni. Récemment, la compensation du ferrimagnet a été activement étudiée car le ferrimagnet compensé fournit une efficacité infinie en spin-couple. Les trois évidences de la compensation ont également été démontrées, l'inversion de l'angle de Hall anormal, la chiralité de rotation de Kerr et la dépendance de l'aimantation en fonction de la température. Le point de compensation de la composition a été estimé autour de Mn3.82Ni0.18N. Nous avons suggéré le modèle de compensation de Mn4N par l'introduction de Ni, qui est compatible avec la réduction par MS, l'inversion des courbes AHE, Kerr et M-T.En résumé, un potentiel de films Mn4N et Mn4-xNixN a été démontré comme un candidat prometteur pour les applications spintroniques telles que les dispositifs de mouvement DW induits par le courant avec de grandes propriétés: nucléation de domaine et propagation DW lisse, efficacité de génération de STT ultra-haute et accordabilité de la magnétisation par Ni-introduction. Ces propriétés étonnantes ont été réalisées sans terres rares ni métaux nobles, ce qui peut constituer une étape importante dans le remplacement des matériaux à base de terres rares par des éléments abondants. / A new spintronic material Mn4N has been investigated. Ferrimagnetic Mn4N thin films possess relatively small spontaneous magnetization Ms and strong perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and thus are suitable for spin-torque based memory devises. In addition, Mn4N is composed of only cheap, light and abundant elements without any rare-earth nor noble metals., thus free from material criticality. In this work, magnetic and magneto-transport properties of Mn4N grown on SrTiO3 (STO) substrate have been evaluated.First, the magnetic and magneto-transport properties of Mn4N thin films are evaluated, resulting in finding out dramatically improvement of them by replacing conventional MgO substrates by STO substrates. This Mn4N/STO system exhibits astonishing properties: a millimeter-sized domain structure, fully remnant magnetization at zero field and a sharp magnetization switching caused by scarce nucleation of reversed domain and smooth DW propagation. These properties, associated to a very small Ms and a large PMA, underline its potential for spintronic applications.Second, the generation efficiency of spin-transfer torque (STT) in Mn4N thin film has been measured by measuring the speed of domain wall (DW) driven by current pulses. The DW velocity reaches record values of 900 m/s for a current density of 1.3×10^12 A/m2. This value is the highest in all STT-driven systems and is comparable to the highest speed obtained using SOTs. The DW mobility η is also very large, the highest in all STT-based systems too. Fit of our data using a 1D analytical model allows extracting a spin polarization of the conduction electrons of 0.81, suggesting that Mn4N could be suitable to obtain large magnetoresistances. In addition, these amazing properties have been achieved without any rare earth elements, stack structures, nor external assistance such as magnetic/electric field or mechanical stress.At last, the magnetic properties have been tuned by a small amount of Ni-introduction to Mn4N. The spontaneous magnetization of Mn4N on STO has been reduced by Ni-introduction with keeping strong PMA and full remanence. This result indicates the ferrimagnetic Mn4N system might be compensated by substituting Ni atoms. Recently compensation of ferrimagnet has been actively studied because the compensated ferrimagnet provides infinite spin-torque efficiency. The three evidences of the compensation have also been demonstrated, the reversal of anomalous Hall angle, Kerr rotation chirality, and the temperature dependence of magnetization. The compensation point of composition has been estimated around Mn3.82Ni0.18N. We suggested the compensation model of Mn4N by Ni introduction which is consistent with the MS reduction, the reversal of AHE, Kerr and M-T curves.In summary, a potential of Mn4N and Mn4-xNixN films has been demonstrated as a promising candidate for spintronic applications such as current induced DW motion devices with great properties: scares domain nucleation and smooth DW propagation, ultrahigh STT generation efficiency, and tunability of magnetization by Ni-introduction. These amazing properties have been achieved without rare-earth nor noble metal, which can be a milestone for replacement of rare-earth-based materials by abundant elements.

Contrôle électrique du champ magnétique dans les films ferromagnétiques minces a attiré de grandes attentions comme une caractéristique prometteuse qui pourrait conduire à des appareils électroniques rapides, ultra-bas et non volatils. La clé pour réaliser de tels dispositifs est de modifier efficacement l'anisotropie magnétique. Dans cette thèse, le contrôle de l'anisotropie magnétique et de la dynamique des parois de domaine a été étudié dans diverses structures basées sur des films minces CoFeB et Pt / Co. Les propriétés magnétiques et diélectriques des films minces CoFeB / MgO avec une couche de recouvrement différente (Ta, HfO2, Al2O3) ont d'abord été étudiées pour trouver le matériau optimal de l'effet de champ électrique. La couche de coiffage montre un effet non négligeable sur l'anisotropie magnétique du film CoFeB et une constante diélectrique élevée de 45 est obtenue dans une structure MgO / HfO2.Un liquide ionique [EMI] [TFSI] a été utilisé pour promouvoir l'effet de champ électrique dans les films magnétiques. L'effet du champ électrique a été étudié dans le liquide CoFeB / MgO / ionique et les structures liquides ioniques CoFeB / MgO / HfO2 / ioniques. L'efficacité du champ électrique sur l'anisotropie magnétique pour ces deux structures est de 60 fJ / Vm et 82 fJ / Vm, respectivement. En attendant, le liquide ionique CoFeB / MgO / HfO2 / ionique présente une plus grande stabilité contre l'environnement et la tension, ce qui permet une commutation facile à l'axe de l'avion dans un avion. En outre, l'effet de champ électrique dans la structure liquide Pt / Co / ionique a été étudié. Un effet important et non volatil peut être observé. / This thesis focused on controlling magnetic anisotropy and domain wall dynamics in magnetic thin films. Thin CoFeB/MgO Ims with different capping layers were deposited to find suitable materials to fabricate a high performing E-field effect device. The E-field effect was studied in a Ta/CoFeB/MgO stack, a Ta/CoFeB/MgO/HfO2 stack and a Pt/Co/HfO2 stack assisted by ionic liquid gating. Large E-field effects on magnetic anisotropy were obtained and E-field effect on domain wall propagation, pining and depining were observed. The major conclusions of this thesis are listed below.Magnetic and dielectric properties of CoFeB/MgO/(Ta, HfO2 and Al2O3) havebeen studied.All studied samples show PMA with different values of HK. In as grown films,samples with Ta as protecting layer show the lowest HK. Highest HK is foundwhen capping with 30 nm HfO2 in 0.8nm (746 mT) and 1nm (218 mT) thickCoFeB films. After annealing at 290 degree, there is a general increase of HK. The largest HK of 1082 mT and 524 mT are found for 10 nm Al2O3 in 0.8 nmCoFeB samples and 1 nm CoFeB samples, respectively. HK can be varied up to 100 mT for 1 nm thick CoFeB samples and up to 220 mT for 0.8 nm thick CoFeB samples indicating a non-negligible effect of the capping layer on the surface magnetic anisotropy of thin films.A high dielectric constant of 45 is obtained in a MgO (2 nm)/HfO2 (30 nm) structure. The breakdown voltage increases with annealing temperature, however, there is a large decrease in the dielectric constant after annealing at 290 degrees. By decreasing the annealing temperature to 250 degree, the high dielectric constant can be preserved with an improved breakdown voltage. Aging effect on HK and -K2/K1 of samples with different capping layers has been studied. HK is not necessary decreasing, but inhomogeneities in the magnetic properties occur in aged samples. Aging increases -K2/K1 which could help the formation of an easy-cone state. Stability of a MgO (2 nm) layer incontact with an IL and ionic film has been studied. After recording HK for months, it has been found that a MgO/IL structure can not preserve a highmagnetic anisotropy but is able to remain relatively stable in a low anisotropy state. A MgO/ionic film structure is found to be stable since no sign of degradation was found. The stability of samples with a simple MgO (2 nm)/HfO2 structure has been tested. Ms of the sample covered with an IL and the one not covered with IL have been recorded for one month. It is found that the change is within 3% indicating a stable structure against ambient conditions and the IL.The E-field effect has been studied in the low and high PMA states of aTa/CoFeB/MgO/IL sample. PMA of the device evolves from a high PMA state to a low PMA state which can be linked to a potential increase in the oxygen content of MgO due to air exposure during fabrication and operation. In the high PMA state, domain wall velocities in the creep regime can be modulated by a factor of 4.2 and the coercive field increases by a factor of 1.3 when going from -0.8 V to 0.8V. In the low PMA state, a large modulation of the anisotropy field reaches 80 mT per V/nm with a low leakage current. The applied E-fields are seen to significantly influence DWs' pinning, depinning and nucleation processes. The results presented here show that a solid/liquid device structure based on CoFeB/MgO thin films can be an interesting approach to control magnetic properties with gate voltages below 1 V over large areas, allowing for potential parallel operation of pinning/nucleation units.The E-field effect has been studied in a Ta/CoFeB/MgO/HfO2/IL sample.

The static and dynamic properties of spin distributions within domain walls(DWs) confined by Permalloy nanowire conduits are investigated by numerical simulations and high-speed magneto-optic polarimetry. Phase boundaries and critical points associated with DW spin distributions of various topologies are accurately determined using high-performance computing resources. Field-driven mobility curves that characterize DW propagation velocities in 20 nm thick nanowires are calculated with increasing the width of nanowires. Beyond the simple one-dimensional solution, the simulations reveal the four distinct dynamic modes. Oscillations of the field-driven DW velocity in Permalloy nanowires are observed above the Walker breakdown condition using high-speed magneto-optic polarimetry. A one-dimensional analytical model and numerical simulations of DW motion and spin dynamics are used to interpret the experimental data. Velocity oscillations are shown to be much more sensitive to properties of the DW guide structure (which also affect DW mobility) than the DW spin precessional frequency, which is a local property of the material. Transverse bias field effects on field-driven DW velocity are studied experimentally and numerically. DW velocities and spin configurations are determined as functions of longitudinal drive field, transverse bias field, and nanowire width. For a nanowire that supports vortex wall structures, factor of ten enhancements of the DW velocity are observed above the critical longitudinal drive-field (that marks the onset of oscillatory DW motion) when a transverse bias field is applied. The bias-field enhancement of DW velocity is explained by numerical simulations of the spin distribution and dynamics within a propagating DW that reveal dynamic stabilization of coupled vortex structures and suppression of oscillatory motion in the nanowire conduit resulting in uniform DW motion at high speed. Current-driven and current-assisted field-driven domain wall dynamics in ferromagnetic nanowires have thermal effects resulting from Joule heating, which make difficult to separate the spin-torque effects on DW displacements. To understand the thermal effects on DW dynamics, the temperature dependence of field-driven DW velocity is explored using high-bandwidth scanning Kerr polarimetry. Walker critical fields are decreased with increasing temperature and temperature-induced dynamic mode changes are observed. The results show that Joule heating effects are playing an important role in current-driven/current-assisted field-driven DW dynamics. / text

Dans les dispositifs actuels de sauvegarde de données, les bits d'informations sont stockées sous la forme de paroi de domaines dans une couche mince, voire des media "patternés". Le support reste donc 2D. De nos jours, la densité de stockage tend vers une valeur maximale qu'il est difficile de dépasser pour des raisons fondamentales et technologiques. Ainsi, récemment des efforts ont été réalisés pour développer des dispositifs 3D qui allient la polyvalence de la mémoire RAM solide avec un coût comparable à celui des disques durs actuels.Un nouveau concept théorique particulièrement intéressant pour une mémoire magnétique en 3D a été proposé en 2004 par S. Parkin et al.. Cette mémoire de type registre à décalage est constituée d'un réseau de nanofils magnétiques verticaux avec une section transversale cylindrique ou bien rectangulaire. Dans ce nouveau type de mémoire, les bits sont codés sous forme d'une série de parois de domaine. Cette dernière peut être déplacée vers une tête de lecture intégrée par des impulsions de courant polarisé en spin de quelques nanosecondes.Les parois de domaines magnétiques dans des nanofils cylindriques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur application possible dans un dispositif fonctionnel ainsi qu'en raison de nouvelles propriétés intéressantes qui résultent du confinement géométrique des parois. A ce jour, seules quelques études expérimentales sur de telles parois de domaines existent. Elles ont mis en évidence la difficulté de maîtriser la propagation de parois dues à des forts effets de piégeage. Jusqu'à présent, l'origine microscopique de ce piégeage n'a été que partiellement comprise. On s'attend à ce qu’indépendamment de la qualité géométrique du fil, la microstructure du matériau puisse jouer un rôle non négligeable.Dans le cadre du projet européen FP7 m3D, l'objectif de mon travail de thèse a été d'étudier la propagation des parois de domaine dans des nanofils cylindriques avec des modulations de diamètre. L'énergie de ces parois de domaine augmentant avec le diamètre du fil, on s'attend à ce que des excroissances (ou des constrictions) agissent comme des barrières d'énergie artificielles (respectivement puits). Par conséquent, une propagation de paroi de domaine contrôlée via la géométrie du fil semble possible.La première partie de mon travail concerne l'optimisation des matériaux. Des fils d'un alliage de NiCo (diamètre de 100-200nm et longueur de plusieurs dizaines de micromètres) avec deux géométries distinctes ont été fabriqués par électrodéposition en collaboration avec le groupe du Prof. J. Bachmann à l' Université d'Erlangen. Pour chaque géométrie, j'ai exploré l'effet de la composition de l'alliage ainsi que d'un recuit sur la microstructure du matériau. Par la suite, la propagation des parois de domaine dans des nanofils individuels a été étudiée sous l'influence d'un champ magnétique quasi-statique ou d'une impulsion de champ magnétique avec une durée d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai effectué des simulations micromagnétiques complémentaires pour étudier l'effet de la géométrie des modulations sur le piégeage de ces parois de domaine magnétiques. / In all current data storage devices, the information bits are stored in form of domain walls in a thin film or in patterned media on a two-dimensional surface . Within the next decade, further increase of the storage density in these devices is expected to come to a halt due to several fundamental and technological issues. Thus there have recently been efforts to develop three-dimensional devices combining the versatility of solid state RAM with the cost efficiency of common hard disk drives.A particularly interesting theoretical concept for a three-dimensional magnetic memory has been proposed in 2004 by S. Parkin et al. . Their racetrack memory consists of a vertical array of magnetic nanowires with either cylindrical or rectangular cross section. The bits are encoded in a series of up to 100 domain walls per wire. Using nanosecond spin polarized current pulses these walls are shifted past an integrated read head.Magnetic domain walls in cylindrical nanowires have raised the interest of the scientific community due to their possible application in a functional device as well as due to exciting new properties which arise from the geometric confinement. Up to date, only a few pioneering experimental studies on such domain walls exist. They indicate strong pinning effects preventing a deterministic domain wall propagation. So far the microscopic origin of this pinning has only partially been understood. It is expected however that beside the wire geometry the material microstructure may play a considerable role.Situated within the framework of the European FP 7 project m3D, the objective of my work has been to investigate the domain wall propagation in cylindrical nanowires with diameter modulations by means of magnetic force microscopy and micromagnetic simulation. As the domain wall energy increases with the wire diameter, protrusions (resp. notches) are expected to act as an artificial energy barrier (resp. well). Consequently, a deterministic domain wall propagation controlled via the wire geometry seems possible.A first part of my work concerns material optimization. For this, NiCo alloy wires (100-200nm diameter and multiple tens of micrometers in length) with two distinct geometries have been fabricated by template assisted electrodeposition (Chemist collaborators at Univ. Erlangen, Prof. J.Bachmann). I have then explored the impact of the alloy composition as well as of possible post-fabrication annealing on the material microstructure. Subsequently, domain wall propagation in individual nanowires has been investigated under the influence of either a quasistatic magnetic field or a nanosecond magnetic field pulse. In addition I have performed complementary micromagnetic simulations to study the effect of the modulation geometry on the domain wall pinning.

La richesse de la physique sous-jacente au déplacement de parois magnétiques suscite actuellement un fort intérêt, réhaussé par les possibilités d'applications dans les mémoires magnétiques.Les nanobandes fabriquées par lithographie constituent la quasi-totalité des systèmes dans lesquels les parois sont étudiées.Une géométrie cylindrique implique cependant des structures et dynamiques de parois qui se démarqueraient de celles observées dans les nanobandes et résoudraient notamment les limitations des vitesses de propagation observées.Leur procédé d'élaboration, fabrication d'une membrane nanoporeuse et remplissage électrolytique des pores, permet d'obtenir des fils auto-organisés en réseau, de grand rapport d'aspect et de faible distribution en diamètre.Malgré leur intérêt indéniable, peu d'études ont été consacrées aux parois dans ces systèmes cylindriques.Cette thèse se propose donc de contribuer au sujet.Une partie de cette thèse a été consacrée à la mise en place et au développement de certaines étapes du procédé de fabrication : réduction de la porosité des membranes, modulation du diamètre des pores, dépôt électrolytique d'un alliage magnétique.Ces ajustements de la géométrie et de la structure des fils ont permis d'étudier plusieurs aspects des parois dans les nanofils.Dans un premier temps, une méthode expérimentale a été proposée pour réduire les interactions magnétostatiques qui gêneraient la propagation des parois dans les réseaux denses de fils.Son efficacité a été démontrée sur le mécanisme de nucléation des parois qui intervient en bout de fil lors du renversement de l'aimantation, en mesurant les cycles d'hystérésis des réseaux de fils.D'autres mécanismes de piégeage ont ensuite été mis en évidence par l'analyse de courbes de première aimantation mesurées suite à la nucléation contrôlée de parois.Les champs de propagation de l'ordre de quelques milliteslas, mesurés par microscopie à force magnétique sur des fils individuels, ouvrent cependant la voie aux études dynamiques dans ces systèmes.Enfin, l'observation de la structure interne des parois par dichroïsme circulaire magnétique de rayons X en microscopie de photoémission d'électrons (PEEM-XMCD) a permis de mettre en évidence les deux types de parois prédits par la théorie et les simulations, pour lesquels des mobilités très différentes sont attendues. / The underlying physics of magnetic domain wall motion is currently arousing a strong interest, enhanced by the possibilities of applications into magnetic memories.Domain walls are mostly studied in nanostripes made by lithography.Nevertheless, a cylindrical geometry would involve domain walls with different structures and dynamical behaviors that could resolve issues, such as the speed limitation observed in nanostripes.Their elaboration process, via the fabrication of nanoporous template followed by the electrolytic filling of the pores, leads to self-organized nanowires with high aspect ratio and weak distribution in diameter.In spite of their undeniable interest, for now only very few domain walls studies have been conducted on such cylindrical systems.This thesis hence intends to contribute to the subject.Part of the thesis have been devoted to the setting and development of some steps of the fabrication process : reduction of membrane porosity, modulation of the pore diameter, electrodeposition of a magnetic alloy.These geometrical and structural adjustments of the nanowires have been used to study several facets of domain walls in nanowires.In the first place, an experimental way to reduce the magnetostatic interactions that could disturb domain wall propagation in dense arrays of nanowires have been proposed.Its efficency have been demonstrated through array hysteresis cycles, on the domain wall nucleation that occurs at nanowires extremities during magnetization reversal.Others pinning mechanisms have then been evidenced by analyzing initial magnetization curves measured after a controlled nucleation of domain walls.However, the observation of propagation fields of a few milliteslas by magnetic force microscopy (MFM) on individual nanowires opens the way to dynamical studies on such systems.At last, the observation of domain wall internal structure by X-ray magnetic circular dichroism in photoemission electron microscopy (XMCD-PEEM) evidenced the two types of domain walls theoretically and numerically predicted, for which very different mobilities are expected.

Dans le contexte actuel des technologies de l’information, le traitement séquentiel effectué par les ordinateurs d’architecture classique bute sur des problématiques de consommation d’énergie. En s’inspirant de la nature, et tout particulièrement du cerveau, une solution alternative apparaît à travers les réseaux de neurones artificiels. Dans ce cadre, la réalisation de nano-composants, appelés memristors, qui miment la plasticité synaptique, permet grâce à leur taille nanométrique d’envisager la réalisation de réseaux neuronaux densément interconnectés. Dans ce travail de thèse, notre intérêt est porté sur la réalisation d’un tel composant, défini comme une nano-résistance variable et non-volatile, et dont le fonctionnement repose sur le principe de la spintronique (ou l’utilisation du spin des électrons comme vecteur d’information), qui présente les avantages de compatibilité avec les technologies actuelles (CMOS, MRAM, …etc). En utilisant une jonction tunnel magnétique, le concept de memristor spintronique repose sur le déplacement d’une paroi de domaine magnétique par transfert de spin, où chaque position de paroi défini un état de résistance intermédiaire. Afin de maitriser les variations de résistance du dispositif memristif spintronique, l’étude des propriétés statiques et dynamiques de la paroi de domaine sous l’influence d’un courant polarisé en spin est requise. Grâce à l’étude du déplacement et de la résonance de la paroi dans des systèmes à aimantations planaires, comprenant un nombre limité de 3 états intermédiaires de résistance, nous avons pu établir un premier bilan (temps de commutation du dispositif inférieur à la nanoseconde et mis en avant d’un phénomène de ‘sur-amortissement’). En s’appuyant sur ces travaux préliminaires, nous avons par la suite optimisé des jonctions tunnel magnétiques à aimantations perpendiculaires, pour lesquels d’une part le nombre d’états intermédiaires de résistance se voit fortement augmenter (entre 15 et 20 états), autorisant l’utilisation de ce dispositif memristif spintronique pour la réalisation de tâches neuromorphiques. D’autre part, ce dispositif est optimisé pour exploiter le couple de transfert de spin le plus efficace afin de déplacer la paroi de domaine. / In the current context of information technology, the sequential processing carried out by classical computer architectures stumbles on problems of energy consumption. Inspired by nature, especially the brain, an alternative solution appears through artificial neural networks. In this background, the realization of nano-components, called memristors, which mimic synaptic plasticity, enables to consider achieving densely interconnected neural networks due to their small size. In this work, our focus is on the realization of such a component, defined as a tunable and non-volatile nano-resistor, and which operation is based on the principle of spintronics (use of the spin of electrons as information vector), which has the advantages of compatibility with current technologies (CMOS, MRAM …etc). By using a magnetic tunnel junction, the concept of the spintronic memristor is based on the motion of a magnetic domain wall by spin transfer effect, where each wall position defines an intermediate resistance state. In order to control the resistance of this spintronic memristive device, the study of static and dynamic properties of the domain wall under the influence of a spin polarized current is required. By the study of the displacement and resonance of the wall whithin an in-plane magnetized device, we established a first assessment (commutation time of the device below one nanosecond and observation of an over-damping). Based on these preliminary studies, we then optimized magnetic tunnel junctions with out-of-plane magnetizations. On one hand, we show that the number of intermediate resistance states is strongly increased (between 15 and 20 states), allowing this spintronic memristive device to be used to perform neuromorphic tasks. Furthermore, we show that the device is optimized to use the most efficient spin transfer torque to displace the magnetic domain wall.

Neste trabalho procura-se compreender o comportamento das configurações magnéticas presentes em objetos micrométricos e filmes finos. Estes estudos foram realizados principalmente através de microscopia de força magnética (MFM) e do efeito Kerr magneto-ótico (MOKE). Foi também desenvolvido um procedimento para a obtenção de curvas de histerese a partir de imagens de microscopia MOKE. Para definir o tamanho e a geometria dos objetos empregaram-se as técnicas de litografia por feixe de luz e por feixe de elétrons, e depois para a deposição do material de Co e CoFeSiB amorfo, se fez uso do magnetron sputering. O material assim obtido foi analisado para determinar suas propriedades magnéticas por meio das técnicas do MOKE, magnetrometria de amostra vibrante (VSM), MFM, e microscopia de força atômica (AFM) para o estudo da morfologia dos objetos. Os resultados do MFM e sua interpretação foram apoiados por simulações da estrutura magnética usando o programa Mumax3. Além disso foram analisados as relações entre as propriedades magnéticas e cristalografias de um material de Fe6%Si por médio das imagens MOKE e as imagens de EBSD. As medidas das curvas de histereses por VSM foram feitas em filmes preparados nas mesmas condições dos objetos litografados. Elas mostram que não há eixo anisotropia preferencial, portanto, não apresentam uma direção preferencial de magnetização. Com base nas medidas do MFM se encontrou que os objetos de Co policristalino apresentam configurações de estrutura de domínios magnéticos complexas, diferentes comparativamente do material magneticamente mais mole de CoFeSiB amorfo. Isto se deve as diferenças entre os dois materiais, na anisotropia magnética e magnetostricção. As diferentes geometrias dos objetos estudados apresentaram configurações magnéticas diferentes entre si, fato este, determinado principalmente pela anisotropia de forma. As semelhanças entre objetos da mesma geometria, mas de diferentes materiais mostraram fortes semelhanças, porém com a presença de perturbações locais no caso de Co. O material mole, amorfo, apresenta estados magnéticos ideais e simples, isto é, as tensões mecânicas residuais não geram perturbações magnéticas neste material de baixa magnetostricção. Além disto, nos objetos quadrados a presença de paredes de domínio do tipo cross-tie tem lugar sob certas condições, tendo a espessura do objeto como principal parâmetro. Estes resultados para a parede do tipo cross-tie foram vistos também em simulações micromagnéticas feitas no programa Mumax3. As estruturas magnéticas foram simuladas, com boa similaridade para a amostra de CoFeSiB, mas encontrou-se discordâncias no caso da amostra de Co, estas discordâncias foram analisadas e se estabeleceu as possíveis causas em cada geometria. / In this work the aim is to understand the behavior of the magnetic configurations present in micrometric objects and thin films. This study was developed through the use of magnetic force microscopy (MFM) and magneto-optical Kerr effect (MOKE). Another development was the use of MOKE microscopy images to obtain hysteresis curves. To define the size and geometry of the objects were used laser beam and electron beam lithography techniques, and for the deposition of Co and amorphous CoFeSiB materials was used magnetron sputtering. The produced samples were analyzed to determine its magnetic properties by MOKE, vibrating sample magnetometer (VSM), MFM, and atomic force microscopy (AFM) technique for the study of the object morphology. The results of the MFM and its interpretation were supported by simulations of the magnetic structure using the Mumax3 software. The measurements of the hysteresis loops by VSM were made on films produced under the same conditions of the lithographed objects. They show that there was no overall preferential anisotropy on the surface, this shows the absence of anisotropy in the deposition of the grains, in the case of Co, and therefore do not present a preferential direction of magnetization. Based on the MFM measurements, the polycrystalline Co objects were found to have different configurations compared to the amorphous CoFeSiB magnetically soft material. This is due to the differences in magnetic anisotropy and magnetostriction. The different geometries of the studied objects presented different magnetic configurations between them, this fact is determined mainly by the shape anisotropy. The similarities between objects of the same geometry but of different materials showed strong similarities with the presence of local perturbations in the case of Co. The magnetically soft amorphous material presents ideal and simple magnetic states, due to the fact the residual mechanical stresses do not generate disturbances in this low magnetostriction material. By the other side, in the square objects the presence of cross-tie domain walls takes place under certain conditions, where the thickness of the magnetic object is the main parameter. This kind of domain wall is also seen on the micromagnetic simulations developed using the Mumax3 software. The magnetic structures were simulated with good similarity to the amorphous CoFeSiB sample, but disagreements were found in the case of the Co sample. These disagreements were analyzed and the possible causes in each geometry were established.

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

L'étude du déplacement des parois de domaines magnétiques au moyen d'un courant électrique, par couple de transfert de spin, a généré beaucoup d'intérêt ces dernières années, notamment depuis que de nouveaux dispositifs de mémoires magnétiques utilisant cet effet ont été proposés. Récemment, un nouveau mécanisme capable de propager les parois sous courant avec une grande efficacité a été mis en évidence dans les matériaux tri-couches à anisotropie perpendiculaire et à fort couplage spin-orbite. La compréhension de ce mécanisme, appelé couple de spin-orbite, reste néanmoins loin d'être acquise, tout comme son effet sur la propagation des parois de domaines.L'objectif de ce travail de thèse était d'étudier l'influence de ce couple de spin-orbite sur la dynamique des parois. Pour cela, j'ai étudié expérimentalement le déplacement de paroi sous l'action d'un courant et d'un champ magnétique dans une tri-couche de Pt/Co/AlOx en présence d'un champ magnétique planaire, utilisé pour modifier la structure interne de la paroi et ainsi moduler l'action du couple de spin-orbite sur la dynamique de celle-ci. Ce travail a permis de mettre en évidence l'existence d'un effet asymétrique dans la dynamique de la paroi pour ce type de système.Pour expliquer ce résultat, nous avons proposé une nouvelle structure de paroi dans les matériaux ultra-minces à anisotropie perpendiculaire, résultant de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya. En combinant des calculs analytiques et des simulations micro-magnétiques, la dynamique d'une telle paroi a été étudiée et comparée aux résultats expérimentaux. Enfin, toujours dans le but d'expliquer l'effet asymétrique observé expérimentalement, une seconde interprétation basée sur la présence d'un mécanisme d'amortissement anisotrope a également été proposée. / The study of current-induced magnetic domain wall motion through spin transfer torque has attracted a lot of attention in recent years, especially since new magnetic memories devices based on this effect have been proposed. Recently, a new mechanism allowing for highly efficient current-induced domain wall motion has been discovered in ultrathin asymmetric materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. However this mechanism, named spin-orbit torque, and its effect on domain wall motion are not yet well understood.The objective of this work was to study the influence of this spin-orbit torque on domain wall motion. For that, I have studied field- and current-induced domain wall motion in Pt/Co/AlOx trilayer, in the presence of an in-plane magnetic field. This work allowed highlighting the existence of an asymmetric effect in the domain-wall dynamics of this system.In order to explain this result, we have proposed a new kind of domain wall structure, resulting from Dzyaloshinskii-Moriya interaction in materials with perpendicular magnetic anisotropy and high spin-orbit coupling. Using analytic calculations and micro-magnetic simulations, this domain wall dynamics has been studied and compared to the experimental results. Finally, a second approach based on the presence of an anisotropic damping mechanism has also been proposed to explain the asymmetric effect observed experimentally.

Les mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memory) sont l’une des technologies émergentes visant à devenir un dispositif de mémoire «universelle» applicable à une grande variété d’applications. La combinaison du couple de spin-orbite (SOT) résultant de l’effet Hall de spin (SHE) et de l’interaction de Dzyaloshinskii – Moriya (DMI) aux interfaces entre un métal lourd et une couche ferromagnétique s’est révélée être un mécanisme efficace pour induire une propagation de parois magnétiques chirales à des faibles densité de courant. Les dispositifs à parois magnétiques devraient constituer la prochaine génération de supports d’information en raison de leur potentiel pour des densités de stockage très élevées. Cependant, une limitation cruciale est la présence de défauts structuraux qui piègent les parois magnétiques et induisent des courants de seuil élevés ainsi que des effets stochastiques importants. L’origine du piégeage résulte de la présence de défauts structuraux aux interfaces entre la couche magnétique ultra-mince et les autres couches (isolants et/ou métaux lourds) qui induisent une distribution spatiale des propriétés magnétiques comme l’anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) ou le DMI. Comprendre l’influence de la structure des interfaces sur la propagation de parois et sur le DMI en particulier est cruciale pour la conception de futurs dispositifs basse consommation. C’est dans ce contexte très novateur que mon doctorat s’est focalisé sur la manipulation de la structure des interfaces dans des couches ultra-minces à anisotropie magnétique perpendiculaire. Des structures de CoFeB-MgO ont été utilisées afin de mieux comprendre l'impact de la structure des interfaces sur l’anisotropie, le DMI, la propagation de parois et les phénomènes de SOT. L’approche innovante que nous avons utilisée est basée sur l’irradiation par des ions légers pour contrôler le degré de mélange aux interfaces. Sous l’effet du mélange induit par l’irradiation, nous avons observé dans des structures de W-CoFeB-MgO une forte augmentation de la vitesse de parois dans le régime de creep, compatible avec une réduction de la densité des centres de piégeage. Nous avons aussi démontré que l'anisotropie de l'interface Ki et le DMI mesuré par propagation asymétrique de parois se comportent de la même façon en fonction du mélange aux interfaces. Finalement, nous avons fabriqué des barres de Hall afin de mesurer la commutation de l’aimantation induite par SOT. Le centre des croix de Hall a été irradié afin de diminuer localement l’anisotropie. Nous avons observé une réduction de 60% de la densité de courant critique après l’irradiation correspondant au retournement des croix de Hall irradiés par propagation de parois. Notre étude fournit de nouvelles pistes concernant le développement de mémoires magnétiques à faible consommation, de dispositifs logiques et neuromorphiques. / Magnetic Random Access Memory (MRAM), as one of the emerging technologies, aims to be a “universal” memory device for a wide variety of applications. The combination of the spin orbit torque (SOT) resulting from the spin Hall effect (SHE) and the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) at interfaces between heavy metals and ferromagnetic layers has been demonstrated to be a powerful mean to drive efficiently domain-wall (DW) motion, which are expected to be the promising next generation of information carriers owing to ultra-low driving currents and ultra fast DW motion. However, the crucial limitation of SOT induced domain wall motion results from the presence of pinning defects that can induce large threshold currents and stochastic behaviors. Such pinning defects are strongly related to structural inhomogeneities at the interfaces between the ultra-thin ferromagnetic layer and the other materials (insulator and/or heavy metals) that induce a spatial distribution of magnetic properties such as perpendicular magnetic anisotropy (PMA) or DMI. Therefore, understanding the role of the interface structure on DW motion and DMI is crucial for the design of future low power devices.It is under this innovative context that my Ph.D. research has focused on the manipulation of interface structure in ultra-thin magnetic films with perpendicular magnetic anisotropy. CoFeB-MgO structures have been used in order to understand the impact of interface structure on anisotropy, DMI, domain wall motion and SOT phenomena. The innovative approach we have used in this PhD research is based on light ion irradiation to control the degree of intermixing at interfaces. In W-CoFeB-MgO structures with high DMI, we have observed a large increase of the DW velocity in the creep regime upon He⁺ irradiation, which is attributed to the reduction of pinning centres induced by interface intermixing. Asymmetric in-plane field-driven domain expansion experiments show that the DMI value is slightly reduced upon irradiation, and a direct relationship between DMI and interface anisotropy is demonstrated. Using local irradiated Hall bars in SOT devices, we further demonstrate that the current density for SOT induced magnetization switching through DW motion can be significantly reduced by irradiation. Our finding provides novel insights into the development of low power spintronic-memory, logic as well as neuromorphic devices.