Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du compor-tement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uni-axiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin / The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nano-magnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesisFirst, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental re-sults with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are ex-plained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior.Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behaviour whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.

Depuis sa prédiction, le transfert de spin est devenu un sujet de recherche important et certaines applications ont déjà été commercialisées. Cependant, ce domaine laisse encore de nombreuses questions quant aux processus physiques mis en jeu. Notre travail s'est consacré à l'étude de la dynamique d'aimantation sous l'effet de transfert de spin dans des vannes de spin avec une aimantation perpendiculaire au plan, ces dernières présentant une meilleure efficacité. Pour cela, nous avons dans un premier temps développé un programme de simulation macrospin que nous avons par la suite confronté aux résultats expérimentaux. Notre étude s'est d'abord focalisée sur les diagrammes d'état champ-courant, qui donnent une perspective globale du comportement de l'aimantation. Nous avons pu montrer que le champ extérieur ou l'anisotropie sont capables de briser la symétrie du système et ainsi expliquer la différence entre prédictions et observations. Nous avons ensuite mis en évidence des états cantés, qui sont des états où l'aimantation est figée à un angle précis. La dernière partie de cette thèse fut consacrée à la dynamique d'aimantation à différentes échelles de temps de la seconde à la centaine de picosecondes. C'est ainsi que nous avons pu constater les limites du modèle macrospin, incapable d'expliquer les résultats expérimentaux. Nous nous sommes alors tournés vers un modèle micromagnétique, et avons pu montrer qu'il permet de mieux décrire les résultats expérimentaux / Ever since its prediction, spin transfer has spawned a lot of interest, and some applications have already been commercialized. However the spin transfer effect is still not fully understood. This thesis focused on magnetization dynamics and spin transfer effect in spin valves with out of plane magnetization, proven to be more efficient. With this in mind, we developped a software simulating magnetization dynamics in spin valve. We then confronted the software with experimental results to check our model and its hypotheses veracity. Another part of this thesis was to study current-field state diagrams, which offer a global perspective on magnetization behavior. We managed to show the applied field and the anisotropy could produce a symmetry breaking of the system and thus explain the experimental results. We were also able to highlight canted states of the magnetization. Those are frozen states of the magnetization for certain angles. The last part describes magnetization dynamics at different time scales from a second to a hundred picoseconds. We showed the macrospin model is not appropriate for short current pulses, although we could highlight the influence of some parameters. We finally the micromagnetics model allowed for a better description of the experimental results

Nous avons étudié l'anisotropie magnétique perpendiculaire résultant de la mise en ordre chimique de type L10, dans des couches minces d'alliage FePd élaborées en Epitaxie par Jets Moléculaires. Différentes procédures d'élaboration ont été mises en oeuvre : - la codéposition à température ambiante, éventuellement suivie d'un recuit ; - la codéposition à 350°C ; - le dépôt alterné de couches atomiques Fe et Pd, contrôlé par le temps de dépôt ou par les oscillations RHEED. La structure des alliages a été étudiée par Microscopie Electronique en Transmission. Nous avons caractérisé l'ordre à longue distance (OLD) par diffraction des rayons X, et l'ordre à courte distance directionnel (OCDD) par spectroscopie EXAFS. L'anisotropie magnétique uniaxiale a été évaluée à partir de mesures de magnétométrie (VSM). Nous montrons que l'OLD et l'OCDD, de même que l'anisotropie magnétique, dépendent fortement des conditions de dépôt. Le degré d'ordre chimique le plus élevé est obtenu par la codéposition de l'alliage à 350°C : dans ce cas, l'aimantation est orientée suivant la direction perpendiculaire au plan des couches minces et l'étude par Microscopie à Force Magnétique révèle la présence de domaines magnétiques, dont la taille latérale est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. L'anisotropie magnétique résultant du dépôt alterné de couches atomiques est plus faible : pour les faibles épaisseurs, l'aimantation est dans le plan de la couche et au delà d'une épaisseur critique, elle sort du plan, faisant apparaître une configuration en rubans. Nous avons interprété, par des modèles analytiques de micromagnétisme, l'évolution de la susceptibilité en champ perpendiculaire, ainsi que celle de la taille des domaines et des rubans, en fonction de l'épaisseur des couches minces. Nous avons également réalisé des expériences de spectroscopie Mössbauer et spectroscopie Kerr polaire : nous montrons que ces deux signaux sont très sensibles au degré d'ordre des alliages.

L'érosion des revêtements des digues de rivière peut affecter la stabilité des talus des rives et mettre en danger la sécurité des constructions voisines, et des écoulements de débris peuvent être déclenchés par le sol et les roches érodées de la rive et accumulées dans le lit de rivière. Des travaux d'amélioration sont nécessaires pour augmenter la stabilité des revêtements aussi bien que réduire la possibilité de rupture. Les pratiques actuelles impliquent habituellement la construction d'un épais revêtement en béton, causant des impacts négatifs sur l'environnement et une instabilité des rives sous l'effet de l'érosion à long terme. Afin de remplacer le béton, il est donc crucial de trouver des matériaux de construction respectueux de l'environnement et appropriés à la construction de revêtements sûrs.<br />Les géotextiles, en tant que matériau de protection de rive sont non seulement plus respectueux de l'environnement, mais aussi plus stables à long terme, comparés au béton. Cependant, une mauvaise conception d'un revêtement géotextile peut entraîner une perte considérable du sol de la rive, ce qui peut conduire à la rupture. Aujourd'hui de nombreuses études sur le comportement de revêtements géotextiles soumis à l'érosion ont été réalisées, mais chacune d'entre elles s'est intéressée uniquement à un type d'écoulement. Le comportement réel d'un revêtement géotextile soumis à écoulement est assez compliqué, et suivant le type d'écoulement on définit dans cette étude trois zones : la zone de flux unidirectionnel, la zone de flux cyclique bidirectionnel, et la zone de flux tangentiel.<br />Dans ce projet, le comportement sous érosion de sols non cohésifs ou peu cohésifs avec les trois conditions de flux mentionnées ci-dessus a été étudié avec des essais utilisant un équipement développé pour chaque condition de flux. Les résultats d'essais révèlent qu'un écoulement souterrain dans la zone de flux unidirectionnel peut provoquer l'érosion interne du sol et qu'une partie des particules de sol entraînées peut passer à travers les ouvertures du géotextile. Le reste de ses particules peut se colmater à l'intérieur des fibres du géotextile ou s'accumuler derrière le géotextile, formant une couche filtrante naturelle et réduisant la vitesse de l'écoulement. Une fois que la vitesse d'écoulement est plus basse que la vitesse critique, l'érosion interne du sol cesse.<br />La zone de flux cyclique bidirectionnel peut être identifiée en fonction des conditions de flux de : « flux cylique à court terme » et de cycliques à long terme », selon la période du cycle du flux, pour laquelle le comportement du revêtement géotextile diffère lors de l'érosion. Ainsi, deux instruments d'essais ont été développés. Les résultats d'essais dans un canal à vague grandeur nature avec des conditions de flux cycliques à court terme révèlent que le sol de la couche supérieure de la zone de flux cyclique bidirectionnel est soumis à la charge cyclique des vagues, ce qui peut entraîner un excès de pression interstitielle et aboutir à l'écroulement, tandis que le sol dans la couche moyenne peut être érodé par le flux tangentiel le long de la rive et accumulé en aval. En outre, en plus de l'ouverture du géotextile, le taux de couverture des roches sur le géotextile est aussi un facteur clef qui contrôle le ravinement du sol. Les résultats d'essai utilisant l'instrument de flux cyclique bidirectionnel à long terme, pour une période de flux cyclique particulièrement longue (600 secondes/cycle), montrent que la vitesse d'écoulement dans la couche de sol est trop faible pour déplacer les particules de sol, et on ne s'attend donc à aucune érosion. Cependant, quand la vitesse d'infiltration augmente, la contrainte effective dans le sol diminue en raison de l'augmentation de pression de l'écoulement, causant ainsi un phénomène de boulance (boiling) et un entraînement considérable de sol ainsi que le tassement de celui-ci. En plus, la profondeur d'influence avec cette condition de flux est plus grande qu'avec la condition de flux cyclique à court terme. En outre, d'après les valeurs de gradient hydraulique déduites des mesures réalisées avec deux piézomètres installés au-dessus et au-dessous du géotextile, aussi bien que d'après les images de microscopie électronique de fibres du géotextile, on peut constater que l'extension de la zone de colmatage par les particules de sol n'est pas aussi importante que pour des flux unidirectionnels.<br />Le comportement en érosion dans la zone de flux tangentiel a été étudié avec l'instrument d'essai d'érosion parallèle. Le résultat révèle que le comportement en érosion tangentiel sur la surface de sol peut être défini par la vitesse de flux. Si la vitesse de flux est inférieure que la vitesse critique (vc), aucune érosion n'apparaît. Si la vitesse de flux est entre la vitesse critique et la vitesse de rupture (vf), une érosion permanente se produira à la surface de sol. Si la vitesse d'écoulement est plus grande que la vitesse de rupture, une érosion intense se produira dans le sol et entraînera la rupture du revêtement. De plus, la présence d'un géotextile sur la surface du revêtement a une influence non négligeable sur le comportement en érosion. Les revêtements sans géotextile sur la surface sont soumis à une érosion continue et peuvent finalement s'effondrer en raison d'éboulements en pied de pente. Une couverture géotextile appropriée sur la surface du revêtement peut non seulement éviter l'érosion, mais aussi former une couche filtrante naturelle au-dessous du géotextile qui empêche que l'érosion du sol continue. Une fois que la couche de filtre naturelle est complètement formée, le revêtement est stabilisé.

Ce mémoire est consacré à l'étude théorique et expérimentale de la dynamique rapide de l'aimantation dans des nanostructures de (Co3Å/Pt6Å)6 à forte anisotropie perpendiculaire. J'ai proposé d'assister le retournement de l'aimantation par un champ d'échange dans le plan de La nanostructure. Un modèle analytique a été développé dans l'approximation macrospin. Ce champ d'échange réduit significativement l'amplitude de l'impulsion du champ magnétique nécessaire pour le retournement, et ce à la fois si le champ appliqué est parallèle au champ d'échange ou perpendiculaire au plan de la nanostructure. Dans ce dernier cas, la ré-écriture directe est possible et la réduction du champ de retournement peut être utilisée pour augmenter de 24% la densité d'enregistrement sur disques durs en ayant recours à des matériaux à plus forte anisotropie magnétique. L'aspect expérimental comprend deux parties. La première concerne la conception, la réalisation et la caractérisation des échantillons. Après la définition des circuits hyperfréquences, quatre procédés technologiques pour leur microfabrication ont été testés et comparés. Les microcircuits incorporent une source de champ localisée, prenant la forme d'une microbobine ou d'une ligne coplanaire. Leur bande passante varie entre 14 GHz et 20 GHz. Les champs magnétiques typiques générés par la microbobine et la ligne coplanaire sont respectivement de 1.9 Oe/mA et 1.3 Oe/mA. Les mesures résolues en temps par effet Hall extraordinaire ont été réalisées pour sonder la réponse précessionnelle de l'aimantation induite l'impulsion du champ. La forte résistance DC de la multicouche Co/Pt a rendu difficile la détection de ce signal. Des mesures quasi-statiques de retournement avec une/plusieurs impulsions de durées autour de la nanoseconde assistées par un champ statique perpendiculaire ont été faites. L'impulsion du champ aide le retournement, vraisemblablement par nucléation. A titre d'exemple, il a été notamment montré qu'une impulsion de 32 mT et de durée 10 ns peut retourner l'aimantation de presque toute une nanostructure de 500´500nm2 si cette impulsion est assistée par un champ statique de 22 mT.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale de l'origine de l'Effet Hall Anormal (EHA) et de la propagation d'une paroi de domaine. Pour cela, j'ai développé une technique de mesure basée sur l'effet Hall Anormal (EHA) qui a permis de suivre en temps réel la propagation d'une paroi magnétique dans des pistes submicroniques. La première partie est consacrée à étudier l'origine de l'EHA dans des films ultraminces de Pt/Co/Pt/Al2O3 à anisotropie magnétique perpendiculaire. En modifiant les propriétés structurales des interfaces par irradiation ionique, j'ai montré que la diffusion à la surface et aux interfaces sont les mécanismes dominants contribuant à l'EHA. En parallèle, j'ai utilisé l'EHA pour étudier la dynamique d'une paroi de domaine 1D dans des pistes submicroniques de largeur w0 gravées dans les films de Pt/Co/Pt/Al2O3. La vitesse de propagation de la paroi de domaine v(H) est fortement réduite lorsque w0 diminue et elle suit un comportement de reptation. Le champ critique effectif est proportionnel à 1/w0. Des mesures dans des pistes avec des défauts artifiellement contrôlés nous montrent que cet effet est du à la présence de la rugosité de bords de la piste introduite pendant les étapes de lithographie et de gravure. Un modèle théorique de reptation a été développé et il est en accord avec les résultats expérimentaux. Enfin, dans la dernière partie, nous avons démontré que la dynamique de propagation de la paroi peut être fortement modifiée par l'irradiation.

Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du comportement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uniaxiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin.

L'injection de courant polarisé en spin dans les semi-conducteurs est un point-clef de la spintronique, discipline qui vise à utiliser le spin de l'électron comme degré de liberté en électronique. Ce travail de thèse étudie l'injection de spins depuis une électrode ferromagnétique à travers une barrière tunnel vers un semi-conducteur en absence de champ magnétique. La polarisation du courant injecté est détectée optiquement, ce qui impose que l'aimantation des électrodes soit perpendiculaire aux plans des électrodes. Ce travail s'articule donc en deux parties. La première section traite de l'élaboration d'hétérostructures oxyde/métal ferromagnétiques pour l'injection de spins dans le GaAs et le Si. Les croissances d'électrodes de MgO/FePt par épitaxie par jets moléculaires sur GaAs et de Al2O3/CoPt par pulvérisation cathodique sur Si sont décrites. L'étude des propriétés structurales et magnétiques et de transport de ces couches a ainsi permis de montrer la possibilité d'obtenir des films minces à aimantation perpendiculaire pour l'injection de spins sur plusieurs matériaux. La deuxième partie se focalise sur le transport polarisé en spin dans le Silicium. L'injection de courant polarisé dans ce matériau en absence de champ magnétique externe est ainsi démontrée pour la première fois par des mesures d'électroluminescence. L'analyse de la lumière émise par un puits quantique de SiGe inséré dans une diode de Silicium montre une polarisation optique de l'ordre de 3% liée à la polarisation en spin du courant injecté.

Nous avons développé un montage magnéto optique capable de mesurer in situ l'évolution de l'aimantation de nanostructures de cobalt sur de l'or (111) déposées par électrochimie. Le montage dispose d'une cellule électrochimique avec système de circulation permettant de modifier la nature des solutions et d'effectuer des dépôts multicouches. La cadence d'acquisition de cycles M-H est de 2 par seconde. Nous avons utilisé et analysé les résultats de travaux d'observation STM in situ de la morphologie de cobalt en fonction du potentiel de dépôt dans l'intervalle [-1.6 V/MSE ; -1.26 V/MSE]. Le cobalt se dépose en bicouche quelque soit le potentiel de dépôt puis après formation complète de la bicouche, la croissance s'effectue couche par couche. Lors de la formation de la bicouche, ! la densité d'îlots augmente d'autant plus que le potentiel de dépôt est négatif. La mesure de la composante perpendiculaire de l'aimantation indique un basculement hors plan/dans le plan de l'aimantation pour une épaisseur de 1.6 monocouches de Co soit lors de la coalescence de la bicouche. Lorsque la troisième couche de Co se forme, on mesure un maximum de susceptibilité magnétique à 2.8 monocouches. Nous avons déposé du Cu sur du Co afin de saturer l'aimantation du Co. Ainsi, nous avons déterminé les constantes d'anisotropie pour des dépôts de Co supérieurs à 2 monocouches. Pour expliquer le comportement de l'aimantation entre 0 et 2 monocouches nous avons discuté deux hypothèses. La première est que les atomes de bords d'îlots possèdent une énergie d'anisotropie bien supérieure aux atomes de centre. La s! econde est qu'il existe des tailles d'îlots pou! r lesque lles l'aimantation n'est pas hors plan.

La plupart des efforts de développements actuels des STT-MRAM est centrée sur des jonctions tunnels magnétiques à aimantation hors du plan. Les derniers empilements mis au point utilisent avantageusement l’anisotropie perpendiculaire induite aux interfaces magnétiques métal / oxydes, qui permet de réconcilier la forte anisotropie demandée pour assurer une rétention suffisante de la mémoire ainsi qu’une faible densité de courant de retournement STT grâce au couplage spin-orbite faible. Cependant, pour des cellules mémoire de taille inférieure à 20 nm, il est difficile d’atteindre une rétention de 10 ans à 100°C en utilisant uniquement l’anisotropie interfaciale. Pour augmenter encore plus l’anisotropie magnétique, ceci impose l’utilisation de couches magnétiques de CoFeB ultraminces (épaisseur inférieure à 1.4nm) qui présentent un coefficient d’amortissement Gilbert augmenté ainsi qu’une magnétorésistance tunnel TMR réduite. Pour des nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, des nouveaux matériaux présentant une forte anisotropie magnétocrystalline et faible coefficient d’amortissement doivent être trouvés. De plus, l’anisotropie interfaciale est très sensible aux propriétés structurelles et chimiques aux interfaces entre les métaux magnétiques et la barrière tunnel de MgO. Avec des techniques de nanofabrication conventionnelles, ces interfaces peuvent être endommagées durant notamment l’étape de gravure, ce qui conduit à une variabilité importante cellule à cellule. Pour résoudre ce genre de problèmes pour des cellules STT-MRAM de tailles très petites, nous proposons l’utilisation d’empilements jonctions tunnel magnétiques dans lesquels l’anisotropie de la couche de stockage est contrôlée uniquement par son anisotropie de forme hors du plan. Ceci donne notamment une couche de stockage de forme cylindrique avec un aspect de forme suffisamment large (épaisseur / diamètre environ > 1). De cette façon, pour des raisons purement magnétostatiques, l’aimantation de la couche de stockage sera orientée perpendiculairement au plan de la cellule. Dans cette approche, la géométrie planaire classique des couches minces est ainsi remplacée par une géométrie tridimensionnelle. Cette approche innovante a plusieurs avantages : (i) elle génère une source fiable et robuste d’anisotropie perpendiculaire, beaucoup moins sensible aux défauts de structure et aux fluctuations thermiques; (ii) permet d’utiliser des matériaux connus et facile à croître, avec des coefficients d’amortissement faible, comme le Permalloy, en combinaison avec du CoFeB aux interfaces avec la barrière tunnel de MgO et (iii) donne une approche miniaturisable, même à des diamètres sub-10 nm, car le même matériau peut être utilisé pour des nœuds technologiques très petits. / Most of the actual STT-MRAM development effort is nowadays focused on out-of-plane magnetized MTJ taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arising at magnetic metal/oxide interface. This interfacial anisotropy allows conciliating large anisotropy required to insure a sufficient retention of the memory together with low switching current density thanks to weak spin-orbit coupling. However this PMA is too weak to insure 10 year retention up to 100°C in sub-20 nm devices. For deeply sub-20 nm nodes, new materials with large bulk PMA and low damping still have to be found. Furthermore, because this PMA is an interfacial effect, it is very sensitive to the structural and chemical properties of the magnetic metal/MgO interfaces contributing to dot to dot variability. To solve these problems in very small feature size STT-MRAM, we propose a totally novel approach: use MTJ stacks in which the storage layer anisotropy is uniquely controlled by its out-of-plane shape anisotropy i.e. by giving the storage layer a cylindrical shape with large enough aspect ratio (thickness / diameter typically > 1). In such structure, for purely magnetostatic reasons, the storage layer magnetization lies out-of-plane. With this approach, the geometry of conventional 2D thin layers is thus replaced by a 3D geometry. This innovative approach had several advantages: (i) it creates a strong and robust source of perpendicular anisotropy, much less sensitive to interfacial defects and thermal fluctuations; (ii) allows the use of well-known materials with mastered growth and low magnetic damping, such as Permalloy in combination with FeCoB at the interface of the MgO tunnel barrier and (iii) yields to an extreme scalability of the memory point, down to the sub-10 nm node, as the same materials can be used at very low nodes.