Probabilistic graphical models like Bayesian Networks (BNs) are powerful artificial-intelligence formalisms, with similarities to cognition and higher order reasoning in the human brain. These models have been, to great success, applied to several challenging real-world applications. Use of these formalisms to a greater set of applications is impeded by the limitations of the currently used software-based implementations. New emerging-technology based circuit paradigms which leverage physical equivalence, i.e., operating directly on probabilities vs. introducing layers of abstraction, promise orders of magnitude increase in performance and efficiency of BN implementations, enabling networks with millions of random variables. While majority of applications with small network size (100s of nodes) require only single digit precision for accurate results, applications with larger size (1000s to millions of nodes) require higher precision computation. We introduce a new BN integrated circuit fabric based on mixed-signal magneto-electric circuits which perform probabilistic computations based on the principle of approximate computation. Precision scaling in this fabric is logarithmic in area vs. linear in prior directions. Results show 33x area benefit for a 0.001 precision compared to prior direction, while maintaining three orders of magnitude performance benefits vs. 100-core processor implementations.

Aujourd'hui, la puissance de calcul des processeurs et la capacité de stockage des disques durs tels que conçus dans l'électronique moderne sont limités par la limite thermodynamique aux systèmes finis. Pour garder une vitesse de développement tel que prédit par la loi de Moore, il est donc nécessaire de considérer de nouveaux types d’architecture d’unité de calcul et stockage d’information. Un autre problème réside dans la gestion des pertes de courant par effet Joule, qui deviennent critiques dès lors que l’on atteint de très fortes densités de transistors et bits magnétiques. Notre étude s’inscrit dans ces problématiques, par la conception de nouveaux systèmes à fort couplage magnéto-électrique qui permettrait de contrôler l’information magnétique par l’injection de faibles courants électriques. Notre objectif a été de concevoir un système à fort couplage magnéto-électrique. Il existe des matériaux possédant un couplage entre ordre magnétique et ordre ferroélectrique de façon intrinsèque. Ce type de structures représente une bonne base d’analyse conceptuelle sur la nature d’hybridation des ordres férroiques. Cependant le couplage y est généralement faible, et ne permet pas l’intégration de ces matériaux dans l’électronique moderne.Une autre option consiste à artificiellement générer un couplage magnéto-électrique à travers l’interface entre deux matériaux possédant chacun un des ordres férroiques. Nous avons travaillé essentiellement sur ce type d’hétérostructure binaire, alliant un substrat ferroélectrique type, (BaTiO3) avec, dans un premier temps, un film ultra-mince ferromagnétique type (Fe, Co, FeNi). Nous avons montré la présence d’une signature d’un couplage magnéto-électrique faible à l’interface de ces systèmes. Nous avons ensuite proposé de remplacer le matériau ferromagnétique typique par un film mince de FeRh, un alliage qui possède une transition de phase magnétique d’antiferromagnétique à ferromagnétique juste au-dessus de la température ambiante, qui dépend à la fois de la température, de la pression et du champ magnétique.Nous avons alors réalisé une étude de croissance de FeRh en films ultra-minces. Nous avons pu montrer que l’alliage garde une température de transition bulk et une transition assez abrupte jusqu’à 5nm d’épaisseur. Nous avons ensuite étudié le couplage magnéto-électrique dans le système FeRh(22nm)/BaTiO3 par magnétométrie SQUID sous champ électrique. Nous avons démontré un très fort effet magnéto-électrique induit par contrainte mécanique, possédant une constante de couplage record, α = 1.6 x 10-5 s.m-1, un ordre de grandeur au-dessus des valeurs rapportées dans la littérature.Utilisant notre connaissance du système, nous avons montré l’intérêt conceptuel d’utiliser un matériau à transition de phase dans les architectures novatrices de mémoire, en proposant une description mathématique d’un comportement memristif dans le système FeRh/piézoélectrique.Finalement, l’utilisation pratique de FeRh nous a amené à étudier l’alliage par calculs Ab Initio sous contrainte mécanique et sous injection de charges, pour comprendre plus fondamentalement la nature et les mécanismes de la transition. / One of the most practical concept used in physics and engineering is the concept of triggeror switch, consisting of a means to start a controlled chain of energy transformation.A switch can lead to reversible or irreversible consequences. Technological developmentusually seeks to make use of the former because it allows for repetitive logical tasks. Suchtriggers exist via the coupling between two or more types of energetic transformations.It is formally described by the interaction between two or more distinct fields and theirexpression on a system. Amongst the most studied coupling in material physics, we findelectro-mechanical couplings such as piezoelectricity or ferroelectricity, electro-caloric ormagneto-caloric couplings such as pyroelectricity and pyro-magnetism, magneto-electric,etc. The fundamental and experimental domestication and understanding of these couplingsis usually followed (and very often motivated) by the design of practical applicationin electronics engineering technology.

Dans cette thèse, nous montrons dans des amas d’oxyde de chrome épitaxiés, la contrainte conduit à l'apparition d'une phase multiferroïques, ainsi qu'un effet magnéto-électrique géant tel que le coefficient ME est de plusieurs ordres de grandeur supérieur que le terme linéaire dans Cr2O3 massif. Cela illustre que des contraintes épitaxiales dans des amas manométriques de taille réduite, crée un nouveau matériau magnéto-électrique ouvrant la possibilité d'utiliser un champ électrique pour orienter l'aimantation du matériau. Le coefficient magnéto-électrique linéaire calculé (6.7ns.m-1) est de trois ordres de grandeur plus élevé que dans l’oxyde de chrome massif (4.17ps.m-1) . Nous avons alors exalter ce coefficient sur des amas d’oxyde de chrome fortement contraintes. Nous avons aussi déclarés une assemblée d’amas n’ont pas seulement super-paramagnétique mais aussi super-paraélectrique.Dans la deuxième partie de notre travail nous avons donc utilisé une méthode d’optique non-linéaire afin d’observer cette polarisation spontanée à la température ambiante.Les mesures du magnéto-transport à température ambiante ne permettent pas d’étudier la polarisation électrique dans le Cr2O3, puisque la magnétorésistance tunnel mesurée à RT est nulle. Nous avons donc cherché une autre méthode la génération de la seconde harmonique qui est une méthode d’optique non linéaire, qui peut donner des informations sur l’état de la polarisation électrique dans un matériau non centrosymétriques. Elle a été utilisée dans notre cas pour déterminer la polarisation d’amas d’oxyde de chrome Cr2O3 super-paraélectriques à température ambiante> / In this thesis, it was shown the strained nanometre size chromium oxide particles embedded in a single crystallise dielectric matrix exhibit magneto-electric coefficients several orders of magnitude larger than the linear terms in bulk Cr2O3 . These clusters are studied in a double tunnel junction Fe/MgO-Cr-MgO/Fe and their magnetization varies under bias voltage, opening the possibility of efficient use of electric field for controlling the magnetization of the material. It also provides evidence for the occurrence of a significant spontaneous electric polarization on the chromium oxide particles which not only behave as super-paramagnetic but also as super-paraelectric material. The electric polarization is of order of 0,22 μC cm-2 at low temperature. In order to study the electric and magnetic proprieties of these clusters with different transport conditions compared to the double tunnel junction in reference, we reproduced smaller clusters in dielectric matrix MgO as the upper magnetic layer of iron is replaced by a non magnetic layer Pd.In the second part of our work, we used a non- linear optical method to observe the spontaneous polarization at room temperature.The magneto-transport measurements at room temperature do not allow to study the electrical polarization in the Cr2O3, since the tunnel magnetoresistance measured RT is zero. We therefore sought an alternative method of generating the second harmonic which is a nonlinear optical method, which can provide information on the state of the electric polarization in a non- centrosymmetric material. It has been used in our case to determine the super- cluster Cr2O3 paraelectric at room temperature of chromium oxide polarization .Under application of a positive voltage , the variation of the SHG intensity gradually changing to 7 V with 40 % of the reports . We eliminated two major phenomena may induce this change as the influence of capacitive loads or a plasmonic effect , to suggest that this variation is due to the spontaneous polarization is aligned along the applied electric field. The variation of the SHG is observed for an electric field applied in the plane , but it shows instability . We attribute this change in this case an electro- migration in the MgO . we show the SHG variation in function of the voltage for several junctions studied an electric field perpendicular . It can be adjusted by a Langevin function of applied electric field.

L’effet magnétoélectrique (ME) se traduit par la possibilité d’induire une magnétisation à l’aide d’un champ électrique (effet direct) ou celle d’induire une polarisation électrique à l’aide d’un champ magnétique (effet inverse). Les composites laminés qui possèdent de grands coefficients ME ont généré beaucoup d’intérêt dans le domaine des capteurs, des modulateurs, des interrupteurs et des inverseurs de phase. Dans cette thèse, nous présentons les performances de composites dits laminés à deux ou trois couches. Il a été montré que l’on pouvait obtenir des performances en conversion magnéto-électrique directe en associant des phases magnétostrictives et piézoélectriques. Une modélisation de leur comportement basée sur un oscillateur mécanique a été proposée. Elle a été en particulier utilisée pour simuler le couplage mécanique entre deux couches. Une autre approche pour développer des dispositifs originaux a consisté à utiliser un champ magnétique alternatif pour induire des courants de Foucault dans des électrodes métalliques et une Force de Lorentz en présence d’un deuxième champ magnétique continu. Si ces électrodes recouvrent un matériau piézoélectrique, la force de Lorentz sera alors convertie en signal électrique suivant l’effet direct. Cette approche permet donc de développer des dispositifs de conversion électromagnétique sans phase magnétique. Différents prototypes utilisant un bimorphe piézoélectrique, un film de PVDF et une céramique piézoélectrique ont été réalisés et caractérisés. Un signal électrique proportionnel à la composante continue du champ magnétique a été mis en évidence, ce qui ouvre des applications pour la détection magnétique. Cette thèse s’est également intéressée à l’augmentation du coefficient d’électrostriction par injection de charges électriques en utilisant la technique de décharge Corona. Cette étude a été réalisée sur du polypropylène, connu pour sa capacité à stocker des charges électriques. Le mécanisme de stockage de charge et l’effet sur l’électrostriction ont été étudiées par la mesure du potentiel de surface, la mesure des courants thermo-stimulés, la calorimétrie différentielle et l’interférométrie Laser. L’injection de charges a contribué à une augmentation de la permittivité et par la même à celle du coefficient d’électrostriction, en accord avec un modèle simple de distribution de charges dans l’échantillon. / Magnetoelectric (ME) interactions in matter correspond to the appearance of magnetization by means of an electric field (direct effect) or the appearance of electric polarization by means of a magnetic field (converse effect). The composite laminates which possess large ME coefficient, have attracted much attention in the field of sensors, modulators, switches and phase inverters. In this thesis, we report on the ME performances of the bi- and tri- layered composites. It is shown that their ME couplings can be achieved by combining magnetostrictive and piezoelectric layers. A model based on a driven damped oscillation is established for the piezoelectric/magnetostrictive laminated composite. It is used to simulate the mechanical coupling between the two layers. In addition, we report that the ME coupling can be achieved without magnetic phase but only with eddy current induced Lorentz forces in the metal electrodes of a piezoelectric material induced by ac magnetic field. The models based on the Lorentz effect inducing ME coupling in PZT unimorph bender, polyvinylidene fluoride (PVDF) film and PZT ceramic disc are thus established. The results show the good sensitivity and linear ME response versus dc magnetic field change. Thus, the room temperature magnetic field detection is achievable using the product property between magnetic forces and piezoelectricity. Besides, we report on the electrostrictive performance of cellular polypropylene electret after high-voltage corona poling. We use the Surface Potential test, Thermal Stimulated Depolarization Current experiment and Differential Scanning Calorimetry experiment to analyse its charge storage mechanism. The result show that the electrostrictive coefficient and relative permittivity of the charged samples increase. Last but not least, in order to explain this phenomenon, a mathematic model based on the charged sample has been established.

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben. / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.

Ce travail porte sur la synthèse et la caractérisation de nouveaux matériaux multiferroïques basés sur le concept très récent de la Ferroélectricité Hybride Impropre.Deux classes de matériaux ont été envisagées : les oxydes de type Ruddlesden-Popper NaRMO4 (R=Y, La; M= Mn, Cr) et les doubles pérovskites ordonnées NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb). Les essais de synthèse sur la première classe n’ont pas permis d’obtenir les composés visés. Pour la seconde classe, l’ensemble des composés ont pu être obtenus par synthèse par voie solide à haute température. Les composés NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) ont été synthétisés à pression ambiante. L’usage des techniques de Hautes Pressions – Hautes Températures (HP-HT) a permis de stabiliser les composés contenant des terres rares plus petites et d’obtenir ainsi neuf nouveaux composés aux propriétés inédites.L’utilisation combinée de la diffraction sur poudre des rayons X au synchrotron et des neutrons a permis une étude structurale fine de la famille des doubles pérovskites ordonnées NaLnCoWO6. Les groupes d’espace ont été déterminés grâce aux affinements Rietveld des diffractogrammes de Rayons X sur poudre haute résolution. Les composés NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) cristallisent dans le groupe d’espace centrosymétrique C2/m tandis que les 9 nouveaux composés (Ln= Y, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb) cristallisent dans le groupe d’espace polaire P21. Des mesures de génération de seconde harmonique confirment la structure non-centrosymétrique des nouveaux composés. L’analyse adaptée des modes de symétrie des composés cristallisant dans la structure polaire montre que l’amplitude du mode polaire induit augmente avec la diminution de la taille du cation Ln3+. La polarisation estimée à partir des affinements de la structure pourrait atteindre jusqu’à ~20µC/cm2.Une transition de phase présentant une très large hystérésis en température (~150K) a été observée par diffraction des neutrons pour le composé NaLaCoWO6. De plus, les images obtenues en Microscopie Electronique en Transmission révèlent la présence de bandes dans la phase haute température. Cette superstructure présente une périodicité de 12ap selon la direction [100]p ou [010]p . On a pu montrer à l’aide d’observations en STEM (microscopie à balayage en transmission) combinées avec des mesures en EELS (spectroscopie de pertes d’énergie des électrons) que ce contraste de bandes n’est pas lié à une variation de composition mais bien à une variation structurale. Différents modèles de rotations des octaèdres d’oxygènes ont été élaborés pour valider les données expérimentales obtenues par diffraction des rayons X et de neutrons. Le schéma de rotation qui décrit au mieux les données est a-a-c0. Concernant la phase basse température le groupe d’espace attribué est le groupe polaire P21.Les caractérisations magnétiques ont été réalisées pour toutes ces phases. Tous les composés NaLnCoWO6 s’ordonnent dans une configuration antiferromagnétique. Les températures de Néel varient entre 4 et 13K en fonction de la nature de la terre-rare. Les moments effectifs déterminés par la loi de Curie-Weiss sont en accord avec les moments théoriques attendus. Toutes les températures de Weiss sont négatives traduisant le fait que les interactions antiferromagnétiques sont prépondérantes dans ces systèmes. Les structures magnétiques ont été déterminées pour les composés Ln= Y, La, Tb, and Ho. Pour ces mêmes composés, des mesures diélectriques en fonction de la température et du champ magnétique ont permis de mettre en évidence un couplage magnéto-diélectrique conséquent pour Ln=Y and Ho. Les mesures de courant pyroélectrique autour de la transition magnétique montrent qu’il existe une polarisation induite par l’ordre magnétique dans le composé NaYCoWO6.. C’est la première mise en évidence expérimentale d’un couplage magnéto-électrique dans la famille des doubles pérovskites ordonnées AA’BB’O6. / In this study, new magneto-electric materials were synthesized on the basis of the very recently recognized ferroelectric inducing mechanism, hybrid improper ferroelectricity, and structural and physical properties characterizations were carried out on these new phases.Two classes of materials were focused on: the Ruddlesden-Popper oxides NaRMO4 (R=Y, La; M= Mn, Cr) and the doubly ordered perovskites NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, and Yb). Attempts to synthesize the former class failed to give the target phases. All compounds in the latter class were prepared successfully by solid-state reactions at high temperature, among which the compounds NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) were prepared at ambient pressure while the other nine compounds were synthesized at high pressure.The structural study of the doubly ordered perovskite family NaLnCoWO6 was performed by synchrotron X-ray powder diffraction (SXRPD) and neutron powder diffraction (NPD). Based on the Rietveld refinement of the SXRPD patterns, the space groups were assigned. NaLnCoWO6 (Ln=La, Pr, Nd) compounds crystallize in the centrosymmetric C2/m symmetry, whereas the other nine new compounds crystallize in the polar space group P21. Second harmonic generation measurements on powder confirmed the non-centrosymmetric structure of the new compounds. Symmetry mode analysis demonstrates that the amplitude of the induced polar mode increases with a decreasing Ln cation size. The amplitude of the polarization was estimated from the refined structures, and can be as large as ~20µC/cm2.A structural phase transition was observed by NPD in NaLaCoWO6 with a large temperature hysteresis of ~150K. In addition, stripes were observed on the high-resolution transmission electron microscopy (TEM) images in the high temperature phase. The periodicity of this superstructure is 12ap along either the [100]p or [010]p direction. Further investigations by scanning TEM and electron energy loss spectroscopy revealed that the contrast of the stripes is due to a structural modulation rather than a compositional variation. Octahedral tilt twinning models were built with different tilting schemes to fit the observed SXRPD and NPD patterns. The tilting scheme a-a-c0 describes successfully the data. The low temperature phase was unambiguously determined to possess the polar space group P21.Magnetic and electric properties were experimentally characterized. All NaLnCoWO6 compounds order antiferromagnetically below TN which is between 4 and 13K. Curie-Weill fits were performed for all compounds, yielding reasonable effective magnetic moments compared to the theoretical ones. Weiss temperatures were all determined to be negative further indicating that antiferromagnetic interactions are dominant in these systems. Magnetic structures were determined for four NaLnCoWO6 (Ln= Y, La, Tb, and Ho) compounds, of which two have non-magnetic Ln cations (Y and La) and two have magnetic ones (Tb and Ho). Magneto-dielectric coupling was experimentally observed in compounds NaLnCoWO6 (Ln=Y, Tb, Ho) by dielectric measurements as a function of temperature and magnetic field. Polarization was derived for the Y and Ho compounds from pyroelectric current measurement, however, only the NaYCoWO6 compound demonstrates a polar behavior which cannot be switched. This is the first evidence that electric polarization can be induced by the magnetic ordering in the AA’BB’O6 class materials.

Diese Arbeit befasst sich mit der Nanostrukturierung von magnetischen Schichtsystemen mit Tunnelmagnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt), welche in der Form von Nanosäulen in magnetoresistiven Speichern (MRAM) eingesetzt werden. Solche Nanosäulen können zukünftig ebenfalls als Nanoemitter von Mikrowellensignalen eine Rolle spielen. Dabei wird von der Auswahl eines geeigneten TMR-Schichtsystems mit einer MgO-Tunnelbarriere über die Präparation der Nanosäulen mit Seitenisolierung bis hin zum Aufbringen der elektrischen Zuleitungen eine komplette Prozesskette entwickelt und optimiert. Die Strukturen werden mittels optischer Lithographie und Elektronenstrahllithographie definiert, die anschließende Strukturübertragung erfolgt durch Ionenstrahlätzen (teilweise reaktiv) sowie durch Lift-off. Rückmeldung über Erfolg oder Probleme bei der Strukturierung geben Transmissionselektronenmikroskopie (teilweise mit Zielpräparation per Ionenfeinstrahl, FIB), Rasterelektronenmikroskopie sowie die Lichtmikroskopie. Es können so TMR-Nanosäulen mit minimalen Abmessungen von bis zu 69 nm x 71 nm hergestellt werden, von denen Nanosäulen mit Abmessungen von 65 nm x 87 nm grundlegend magneto-elektrisch charakterisiert worden sind. Dies umfasst die Bestimmung des TMR-Effektes und des Widerstandes der Tunnelbarriere (RA-Produkt). Weiterhin wurde das Verhalten der magnetischen Schichten bei größeren Magnetfeldern bis +-200mT sowie das Umschaltverhalten der magnetisch freien Schicht bei verändertem Winkel zwischen magnetischer Vorzugsachse des TMR-Elementes und dem äußeren Magnetfeld untersucht. Der Nachweis des Spin-Transfer-Torque Effektes an den präparierten TMR-Nanosäulen ist im Rahmen dieser Arbeit nicht gelungen, was mit dem zu hohen elektrischen Widerstand der verwendeten Tunnelbarriere erklärt werden kann. Mit dünneren Barrieren konnte der Widerstand gesenkt werden, allerdings führt ein Stromfluss durch diese Barrieren schnell zur Degradation der Barrieren. Weiterführende Arbeiten sollten das Ziel haben, niederohmige und gleichzeitig elektrisch belastbare Tunnelbarrieren in einem entsprechenden TMR-Schichtsystem abzuscheiden. Eine erste Auswahl an Ansatzpunkten dafür aus der Literatur wird im Ausblick gegeben.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis / This thesis deals with the fabrication of nanopillars with tunnel magnetoresistance effect (TMR-effect), which are used in magnetoresistive memory (MRAM) and may be used as nanooscillators for future near field communication devices. Starting with the selection of a suitable TMR-layer stack with MgO-tunnel barrier, the whole process chain covering the fabrication of the nanopillars, sidewall isolation and preparation of the supply lines on top is developed and optimised. The structures are defined by optical and electron beam lithography, the subsequent patterning is done by ion beam etching (partially reactive) and lift-off. Techniques providing feedback on the nanofabrication are transmission electron microscopy (partially with target preparation by focused ion beam, FIB), scanning electron microscopy and optical microscopy. In this way nanopillars with minimal dimensions reaching 69 nm x 71 nm could be fabricated, of which nanopillars with a size of 65 nm x 87 nm were characterized fundamentally with respect to their magnetic and electric properties. This covers the determination of the TMR-effect and the resistance of the tunnel barrier (RA-product). In addition, the behaviour of the magnetic layers under higher magnetic fields (up to +-200mT) and the switching behaviour of the free layer at different angles between the easy axis of the TMR-element and the external magnetic field were investigated. The spin transfer torque effect could not be detected in the fabricated nanopillars due to the high electrical resistance of the tunnel barriers which were used. The resistance could be lowered by using thinner barriers, but this led to a quick degradation of the barrier when a current was applied. Continuative work should focus on the preparation of tunnel barriers in an appropriate TMR-stack being low resistive and electrically robust at the same time. A first selection of concepts and ideas from the literature for this task is given in the outlook.:Einleitung I Grundlagen 1 Spinelektronik und Magnetowiderstand 1.1 Der Elektronenspin – Grundlage des Magnetismus 1.2 Magnetoresistive Effekte 1.2.1 AnisotroperMagnetowiderstand 1.2.2 Riesenmagnetowiderstand 1.2.3 Tunnelmagnetowiderstand 1.3 Spin-Transfer-Torque 1.4 Anwendungen 1.4.1 Festplattenleseköpfe 1.4.2 Magnetoresistive Random AccessMemory (MRAM) 1.4.3 Nanooszillatoren für drahtlose Kommunikation 2 Grundlagen der Mikro- und Nanostrukturierung 2.1 Belacken 2.2 Belichten 2.2.1 Optische Lithographie 2.2.2 Elektronenstrahllithographie 2.3 Entwickeln 2.4 Strukturübertragung 2.4.1 Die Lift-off Technik 2.4.2 Ätzen 2.5 Entfernen der Lackmaske 2.6 Reinigung 2.6.1 Quellen von Verunreinigungen 2.6.2 Auswirkungen von Verunreinigungen 2.6.3 Entfernung von Verunreinigungen 2.6.4 Spülen und Trocknen der Probenoberfläche 3 Ionenstrahlätzen 3.1 Physikalisches Ätzen – Sputterätzen 3.2 Reaktives Ionenstrahlätzen – RIBE 3.3 Anlagentechnik 3.3.1 Parameter 3.3.2 Homogenität 3.3.3 Endpunktdetektion II Ergebnisse und Diskussion 4 TMR-Schichtsysteme 4.1 Prinzipielle Schichtfolge 4.2 Verwendete TMR-Schichtsysteme 4.3 Rekristallisation von Kupfer 4.4 Formierung der TMR-Schichtsysteme 4.4.1 Antiferromagnetische Kopplung an PtMn 4.4.2 Rekristallisation an der MgO-Barriere 4.5 Anpassung der MgO-Schicht – TMR-Effekt und RA-Produkt 4.6 Magnetische Charakterisierung 5 Probendesign 5.1 Beschreibung der vier lithographischen Ebenen 5.2 Layout für statische und dynamischeMessungen 5.2.1 Geometrie 5.2.2 Anforderungen für die Hochfrequenzmessung 5.3 Layout für Zuverlässigkeitsmessungen 5.3.1 Geometrie 5.3.2 Voraussetzungen für die Funktion 5.4 Chiplayout 5.4.1 Zusatzstrukturen 5.4.2 Anordnung der Elemente 6 Fertigung eines Maskensatzes für die optische Lithographie 6.1 Vorbereitung desMaskenrohlings 6.2 Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 6.3 Ätzen der Chromschicht 7 Ergebnisse und Diskussion der Probenpräparation 7.1 Definition der Grundelektrode 7.1.1 Freistellen der Grundelektrode 7.1.2 Gratfreiheit der Grundelektrode 7.1.3 Oberflächenqualität nach der Strukturierung 7.2 Präparation der magnetischen Nanosäulen 7.2.1 Aufbringen einer Ätzmaske 7.2.2 Ionenstrahlätzen der TMR-Nanosäule 7.2.3 Abmessungen der präparierten Nanosäulen 7.3 Vertikale Kontaktierung 7.3.1 Seitenwandisolation 7.3.2 Freilegen der Kontakte 7.3.3 Aufbringen der elektrischen Zuleitungen 7.4 Die komplette Prozesskette und Ausbeute 8 Magneto-elektrische Charakterisierung 8.1 Messung des Tunnelmagnetowiderstandes 8.2 Stabilität der magnetischen Konfiguration 8.3 Spin-Transfer-Torque an TMR-Nanosäulen 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis