Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

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Ce mémoire présente l'étude et la fabrication de résonateurs sur guide d'ondes exploitant des substrats composites à base de matériau ferroélectrique polarisé périodiquement capables de répondre aux besoins de sources hautes fréquences dont les caractéristiques sont compatibles avec les applications concernées (détection radar). L'idée consiste à utiliser un guide d'ondes fondé sur un Transducteur à domaines ferroélectriques Polarisés Périodiquement (TPP) réalisé sur un substrat ferroélectrique mono-cristallin tel que le niobate ou le tantalate de lithium, placé entre deux substrats mono-cristallins permettant le guidage d'ondes sans pertes. Plusieurs dispositifs ont été fabriqués avec succès. Tout d'abord, des TPPs de différentes périodes (de 200 à 5 μm) ont été réalisés permettant l'excitation d'ondes élastiques de 30 MHz à 1,3 GHz. Ensuite, un oscillateur à 131 MHz stabilisé par un résonateur sur guide d'ondes a vu le jour avec des caractéristiques encourageantes. En effet, un palier de bruit de phase a été mesuré à -165 dBc/Hz à 100 kHz de la porteuse avec une puissance en entrée du résonateur de 2 mW et une stabilité de fréquence court terme de 109 (oscillateur non thermostaté avec une dérive en température du résonateur de -50 ppm/K). D'autres résonateurs sur guide d'ondes exploitant des TPPs amincis à une trentaine de microns ont permis de mettre en évidence l'excitation d'un mode pur spectralement avec une dérive thermique avoisinant celle des matériaux de guidage (soit -30 ppm/K avec du silicium). Enfin, un nouveau système fondé sur des barreaux polarisés périodiquement est présenté. Il se caractérise par ses propriétés remarquables et notamment avec l'excitation d'ondes à vitesse de phase supérieure à 10000 m.s1 et présentant des coefficients de couplage électromécanique de plus de 10%capable de répondre à des applications de filtrage large bande pour la téléphonie mobile.

L'observation du renversement d'aimantation induit par courant polarisé (CIMS) dans les jonctions tunnel magnétiques (JTM) a ouvert de nouvelles perspectives d'applications pour l'électronique de spin, en particulier à travers les mémoires magnétiques (MRAM). Cette réalisation exige une bonne maîtrise de l'oxydation de la barrière tunnel mais aussi une connaissance approfondie du phénomène de transfert dans ces dispositifs.<br />En premier lieu, une étude expérimentale de l'influence de l'oxygène sur les propriétés magnétiques d'une tricouche Pt/Co/MOx (MOx est un métal oxydé) est présentée. La modification d'anisotropie magnétique due aux atomes d'oxygène peut être utilisée pour contrôler l'oxydation des barrières tunnel. Le second aspect étudié est la détermination, théorique et expérimentale, des caractéristiques du transfert de spin dans les JTM. Ces caractéristiques sont d'abord discutées à travers un modèle d'électrons libres puis estimatées expérimentalement dans des JTM à travers la réalisation de diagrammes de phase statiques.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

Cette thèse est consacrée à l’étude des mécanismes de propagation de parois magnétiques dans des films et des pistes magnétiques basés sur des matériaux à anisotropie magnétique perpendiculaire qui sont très prometteurs pour les mémoires magnétiques non volatiles d’ultra haute densité. Je me suis principalement intéressé à l’influence des défauts structuraux sur les mécanismes de dépiegeage de parois en utilisant la technique de microscopie Kerr ainsi que des mesures de transport. Trois résultats importants ont été mis en évidence : (1) Dans des vannes de spin de type CoNi/Cu/CoNi, il existe une forte influence du champ dipolaire généré par la couche dure qui peut influencer la nucléation parasite de paroi magnétique dans la couche libre et créer une propagation asymétrique sous l’effet d’un courant polarisé. J’ai aussi montré que dans des pistes sub-50nm, le renversement de l’aimantation s’effectue par des événements multiples de nucléation à cause de la présence de centres de piégeage fort qui bloquent la propagation ; (2) En visualisant la géométrie des domaines magnétiques et en étudiant les lois de reptation, j’ai montré la présence d’une faible densité de défauts structuraux et de faibles champs de propagation dans les multicouches texturés/amorphe de CoNi-CoFeB et cristallisés de Ta-CoFeB-MgO ; (3) J’ai finalement mis en évidence un effet du transfert de spin à de faibles densités de courant (≈5x1011 A/cm2) dans les pistes de CoNi-CoFeB. J’ai aussi montré une forte influence du champ d’Oesterd sur la propagation de parois liée à la présence de faibles champs de propagation. Finalement, dans le cas des pistes basées sur des films cristallisés de Ta-CoFeB-MgO, j’ai pu mesurer la vitesse sur 10 ordres de grandeur et montrer que les parois se propagent à des champs de propagation ultra faibles (0,1mT). / This work is focused on the study of magnetic domain wall propagation mechanisms in the thin films and wires based on materials with perpendicular magnetic anisotropy which are promissing for the non-volatile magnetic memory of ultra high density. I’m interested in the influence of structural defects on the mechanisms of domain wall propagation by using the Kerr microscopy technique and the transport measurements. Three important results were obtained: (1) In the spin valve structure of CoNi/Cu/CoNi, a strong influence of the dipolar magnetic field induced by the hard layer can generate a parasitic nucleation in the soft layer and create an asymmetric domain wall propagation driven by a spin polarized current. I also demonstrated that in sub-50nm wires, the nature of magnetization reversal process is the multiple nucleation events because of strong pinning centers that hinder the domain wall motion; (2) By observing the magnetic domain geometry et studying the creep law, I have pointed out that in the CoNi-CoFeB multilayers and the crystallized Ta-CoFeB-MgO multilayers, the structural defect density is low and the propagation fields can be reduced; (3) I found a spin-transfer effect with low current density (≈5x1011 A/cm2) in CoNi-CoFeB wires. I also demonstrated that the Oersted field can strongly influence the domain wall motion, especially in the material with low propagation field. Finally, in the Ta-CoFeB-MgO wires, I could measure a wide range of domain wall velocity and I show that the domain wall can move at a very low propagation field (0.1mT)

La prédiction et l'observation de très forts taux de magnétorésistance tunnel (TMR) dans des jonctions tunnel magnétiques à base de MgO a ouvert de nouvelles perspectives d'applications dans le domaine de l'électronique de spin. Ces forts taux de TMR ne peuvent s'expliquer qu'en prenant en compte la structure cristalline des électrodes et le filtrage de la barrière tunnel dépendant des symétries. <br />Un dispositif original de mesures de transport sous champ magnétique d'objets de taille nanométrique a été développé au cours de cette thèse. Il associe une électronique d'acquisition rapide et un Microscope à Force Atomique (AFM) muni d'une pointe métallique. Ce dispositif très versatile permet de contacter électriquement et d'étudier de différents types de nano-objets sans étapes compliquées de nanofabrication. <br />Ce dispositif a été utilisé pour étudier l'influence des interfaces sur le transport dans des jonctions tunnel Fe/MgO/Fe (100) cristallines obtenues par épitaxie. Deux états résonants d'interface (IRS) ont été observés pour la première fois dans ce système à 0.2eV et 1.1eV au dessus du niveau de Fermi pour les électrons minoritaires. Ces IRS modifient fortement le transport tunnel et le dominent autour de 1V avec une inversion de la TMR dynamique. Une étude en fonction de l'épaisseur de MgO a permis de trouver la symétrie dominant le transport de ces IRS.

Le pompage optique permet de réaliser, par la méthode de Colegrove, Schearer, Walters (Physical Review, 1963, vol. 132, p. 2561), des échantillons gazeux d'hélium-trois dont les spins nucléaires sont orientés. En champ magnétique faible, un tel système est hors d'équilibre. La relaxation de l'orientation se produit principalement au voisinage des parois du récipient : pendant leur adsorption, les atomes subissent l'action des impuretés magnétiques présentes dans la paroi. L'utilisation d'enduits cryogéniques solides peu attractifs (le néon, l'hydrogène moléculaire) réduit notablement cet effet jusque vers deux kelvin. A plus basse température, l'allongement des temps d'adsorption les rend inefficaces : nous avons alors ajouté un film d'hélium-quatre liquide aux échantillons pour exclure l'hélium-trois du voisinage immédiat des parois. Avec un tel revêtement de la cellule, nous avons pu réaliser le pompage optique d'un gaz d'hélium-trois vers un demi kelvin et obtenir un taux d'orientation nucléaire de quelques pour cent ; le temps de relaxation de l'orientation longitudinale est alors de vingt minutes. Les variations du temps de relaxation avec l'épaisseur du film, la composition de l'enduit, la densité gazeuse et la température ont fait l'objet d'études expérimentales détaillées. La condensation progressive de l'hélium-quatre lorsqu'on abaisse la température, l'adsorption de l'hélium-trois sur ce film, sa dissolution à l'intérieur et notamment dans les premières couches ont été discutées. Les estimations effectuées ont permis de proposer quelques modèles explicatifs des processus de relaxation qui interviennent. En outre, par des techniques de Résonance Magnétique Nucléaire permettant l'observation de la précession libre des spins dans un champ magnétique inhomogène, nous avons effectué sur le gaz lui-même les premières déterminations expérimentales des coefficients de diffusion de spin dans l'hélium entre un et un demi kelvin.

L'héhum-3 liquide polarisé est préparé par pompage optique laser de l'hélium-3 pur dans un champ magnétique faible et à température ambiante, suivi d'une liquéfaction rapide de l'échantillon polarisé. La mise en oeuvre d'un nouveau cryostat à hélium-3 nous a permis d'obtenir des échantillons d'hélium-3 liquide dont le taux de polarisation atteint 25 %, à des températures de l'ordre de 0.5 K très bien stabilisées. Cette stabilité nous a permis d'étudier l'influence de la polarisation nucléaire sur l'équilibre liquide-vapeur, et en particulier sur la pression de vapeur saturante. Nous avons développé dans ce but des capteurs capacitifs très sensibles. Une estimation (limitée à l'ordre le plus bas en M^2) des effets attendus suite à une brutale destruction de l'aimantation M est menée. Ces effets sont expérimentalement observés dans les mélanges hélium-3/hélium-4 ; dans l'hélium-3 pur, seule une augmentation transitoire et faible de la pression a pu être observée. Nous décrivons ensuite une expérience préliminaire visant à déterminer le temps de relaxation longitudinale T1 dans les mélanges isotopes. La relaxation sur les parois de la cellule est efficacement réduite par l'utilisation d'un enduit de césium et des temps de l'ordre de 20 minutes sont observés. Nous nous sommes interessés plus particulièrement à la détermination de la concentration en hélium-3 en phase liquide Enfin, nous étudions expérimentalement l'effet du champ dipolaire sur l'évolution de l'aimantation transverse dans nos échantillons liquides fortement aimantés. Nous observons la précession libre de l'aimantation après une impulsion RMN et analysons de façon détaillée son temps d'amortissement en fonction de divers paramètres. Ce temps varie de façon spectaculaire avec l'angle de basculement, effet qui pourrait être lié à des instabilités dynamiques de RMN.