Dans le cadre de l’étude des phénomènes magnétiques et de la spintronique qui sont présents aux échelles nanoscopiques nous avons étudié différents aspects des structures asymétriques de Pt/Co/AlOx. L’un des objectifs de cette thèse est le contrôle de l’oxydation et des propriétés magnétiques de ces multicouches. Nous avons combiné les mesures de structures (réflexion de Rayon-X), transports (Effet Hall anormal), et magnétiques (VSM-SQUID) afin de déterminer les rôles des effets magnétiques et d’interfaces. Un objectif était d’analyser le rôle de quelques monocouches (MCs) de CoO (qui peut se former lors de la sur oxydation de l’Al) sur les propriétés de la multicouche. Nous avons utilisé une technique de déposition avec un gradient d’épaisseur pour contrôler l’oxydation à l’échelle nanométrique. Nous avons établis que quelques monocouches (MCs) de CoO a un impact sur l’anisotropie de a multicouche. Pour approfondir l’effet de la couche de CoO, nous avons construit des bicouches ultrafines de Co(0.6nm)/CoO(0.6nm). Nous avons effectué des mesures refroidi sur champ sur ce système et trouvé un fort effet de couplage d'échange. Ces résultats indiquent que la couche CoO garde une forte anisotropie même en dans la limite des monocouches et permet de réfuter certains modèles sur l’effet d’échange bias et indique que les couches, couramment négligé, de CoO doivent être prises en considération dans le bilan énergétiques du système. Nous avons construits un appareil de mesure perpendiculaire de la magnétorésistance tunnel anisotrope (TAMR) à partir de la structure Pt/Co/AlOx. La TAMR est un effet de spintronique relativement récent dans lequel la rotation d’aimantation dans une électrode magnétique (combiné avec un couplage spin-orbite) peut entrainer un changement de la probabilité de l’effet tunnel, ce qui se manifeste comme un effet de magnétorésistance. Nous avons démontré qu’un contrôle précis de l’état d’oxydation est essentiel pour l’effet TAMR. La forte anisotropie magnétique induite nous permet d’atteindre des valeurs de TAMR plus grande comparée à celle des structures Pt/Co/AlOx. / In the context of studying magnetic and spintronics phenomena occurring at the nanoscale, we investigated several aspects of Pt/Co/AlOx asymmetric structures. One of the objectives of this thesis was the control of the oxidation and the tailoring of the magnetic properties of these multilayers. We combined structural (X-Ray Reflectivity), transport (Anomalous Hall Effect) and magnetic measurements (VSM-SQUID), to study the interplay of magnetic and interfacial effects. One objective was to analyze the role that few monolayers (MLs) of CoO (which can form when overoxidizing the Al layer), could have on the properties of the stack. We used a wedge deposition techniques to control the oxidation on a subnanometer scale. We established that few MLs of CoO largely affect the total anisotropy of the stack. To further investigate the impact of the CoO, we engineered ultrathin Co(0.6nm)/CoO(0.6nm) bilayers. We performed field cooled measurements on this system and we found a large exchange bias anisotropy. These results indicate that the CoO keeps a large anisotropy even in the ML regime, help to rule out some of the models proposed to explain the exchange bias effect and imply that the usually neglected CoO presence must be considered in the energy balance of the system. We build perpendicular Tunneling Anisotropic MagnetoResistance (TAMR) devices based on the Pt/Co/AlOx structure. The TAMR is a relatively new spintronics effect in which the rotation of the magnetization in a single magnetic electrode (combined with the Spin-Orbit Coupling) can cause a change of the tunnel probability, which manifests as a magnetoresistance effect. We demonstrated that a careful control of the interface oxidation is crucial for the TAMR effect. The large induced magnetic anisotropy allowed us to achieve enhanced TAMR values compared to similar Pt/Co/AlOx structures.

Depuis plusieurs années de nombreuses technologies non volatiles sont apparues et ont pris place principalement dans le monde de la mémoire, tendant à remplacer tout type de mémoire. Leurs atouts laissent à penser que certaines d'entre elles, et en particulier les technologies MRAM, pourraient améliorer les performances des circuits intégrés en utilisant leurs composants magnétiques, si connus notamment sous le nom de jonctions tunnel magnétiques, dans la logique. Pour évaluer ces éventuels gains, il faut être capable de concevoir de tels circuits. C'est pourquoi nous proposons dans ces travaux d'une part un kit de conception complet pour les flots de conception full custom et numérique, permettant de couvrir l'ensemble des étapes de conception pour chacun d'entre eux. Une partie de ce kit a servi à plusieurs partenaires de projets de recherche ANR, pour concevoir des démonstrateurs. Nous proposons également dans ce kit de conception un latch magnétique non volatil innovant ultra compact, pour lequel deux brevets d'invention ont été déposés, intégré à une flip-flop. Enfin, nous présentons l'intégration de composants magnétiques à deux applications, sécurité et faible consommation, ainsi qu'une étude qui montre que les gains en consommation statique peuvent être considérables. / For several years many non-volatile technologies have been appearing and taking place mainly in the memory world, aiming at replacing all kind of memory. Their assets let thinking that some of them, specially the MRAM technologies, could improve the integrated circuit performances, using their so called magnetic components in the logic, in particular the magnetic tunnel junctions. To evaluate the potential benefits, it is necessary to be able to design such a circuit. That is the reason why we are proposing a full design kit for both full custom and digital designs, allowing all the design steps. Part of this kit has been used by partners in research project to design demonstrators. We also propose in this kit an innovative ultra-compact magnetic latch, for which 2 patents have been deposited, integrated in a flip-flop. Finally, we present the integration of magnetic components for two applications, security and low power, as well as a case study which shows that the static consumption reduction can be huge.

L’étude de l’impact des défauts sur les propriétés électriques des semi-conducteurs a joué un rôle crucial dans la révolution des technologies de l’information dans le milieu du 20ème siècle. Jusqu’ici, la course à la miniaturisation a permis de répondre à la demande croissante en termes de puissance de calcul. Cependant, cette stratégie est vouée à rencontrer des limites physiques qu’il ne sera pas possible de surpasser, c’est pourquoi de nouvelles approches sont nécessaire. Dans ce nouveau paradigme de recherche, les dispositifs électroniques à base d’oxydes sont des candidats prometteurs afin de réaliser de nouveaux dispositifs multifonctionnels. L’importance des défauts sur les propriétés nominale des oxydes n’est pas autant reconnue que dans le domaine des semi-conducteurs. Notre projet de recherche tourne autour de deux objectifs principaux, le premier a pour but d’identifier explicitement l’impact de défauts spécifiques sur les propriétés électrique de dispositifs à base d’oxydes. Le second a pour but de tirer avantage des propriétés induites pour les défauts pour des applications optoélectroniques. / The study of the impact of defects on the electrical properties of semiconductors played a crucial role in the revolution of information technologies in the middle of the 20th century. Up to now, the race to miniaturization allowed to meet the increasing demand in terms of processing power. However, this strategy is predicted to encounter physical limits impossible to overcome and new approaches are necessary. Within this new research paradigm, oxide based electronic devices are promising candidates to fabricate new multifunctional devices. The importance of defects on the nominal properties of oxides is not acknowledged as much as it is in the field of semiconductors. Our research project revolved around two primary objectives, the first one aimed to explicitly identify the impact of specific defects on the properties of oxide-based electronic devices. The second one aimed to actually take advantage of properties induced by defects for optoelectronic applications.

This work presents an analogue baseband (BB) chain for a magnetic tunneling junction (MTJ) based radiofrequency (RF) signal detector fully integrated in a hybrid CMOS-MTJ technology. The BB chain contains a 6 th -order gm-C low-pass filter (LPF), a BB amplifier, a comparator, and a current bank. According to measurement results, the 6 th -order LPF with a cut-off frequency of 10 MHz consumes a very low DC power of 2.41 mW. Its DC power consumption per pole of 0.4 mW is the lowest among the state-of-the-art LPFs. The LPF can be also switched on and off very fast within 110 ns. With the fast switch-ability and the low power consumption, the LPF outperforms the state of the art. Furthermore, the complete BB chain can transform a 2.5 Vpp, 5 Mbps BB signal into digital data with a bit error rate fewer than 1e−6 . The BB chain consumes 2.85mW including all bias circuits. To achieve power efficiency, the BB chain is designed to operate under an aggressive duty-cycling mode. The switch-on time of the BB chain is within 200 ns

Les ondes de spin sont une des voies technologiques proposées pour surmonter les obstacles que rencontre la miniaturisation des complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) dans la gamme du nanomètre, comme en témoignent les derniers développements en matière de dispositifs logiques à ondes de spin. Cependant, l'attrait industriel de ces preuves de concept est conditionné par leur intégration évolutive à la technologie CMOS. Ici, nous présentons des pistes ultrafines de Ta/CoFeB/MgO utilisées comme guides d'ondes de spin. Ce système a été choisi pour sa compatibilité avec les procédés CMOS, son anisotropie magnétique perpendiculaire et ses fortes interactions spin-orbite. Ces derniers sont intéressants pour manipuler les ondes de spin et ont été caractérisés par résonance ferromagnétique à couple de spin où il est démontré que l'effet Hall de spin inverse est responsable de la détection de la dynamique de magnétisation. Ensuite, nous utilisons des guides d'ondes coplanaires nanométriques intégrés pour exciter localement des ondes de spin dans une large gamme de vecteurs d'ondes. La comparaison du spectre d'ondes de spin mesuré avec les calculs analytiques montre que l'effet Hall de spin inverse permet la détection des ondes de spin indépendamment de leur vecteur d'onde avec des longueurs d'onde allant jusqu'à 150 nm. Des expériences complémentaires de diffusion de la lumière de Brillouin révèlent que les ondes de spin dans le guide d'ondes de spin ultra-mince à anisotropie magnétique perpendiculaire ont des longueurs de propagation étonnamment élevées compte tenu de l'amortissement relativement élevé des systèmes Ta/CoFeB/MgO. Ces résultats ouvrent la voie à des dispositifs à ondes de spin ultraminces compatibles CMOS avec des techniques d'excitation et de détection évolutives jusqu'à l'ordre du nanomètre, avec la perspective de contrôler les ondes de spin via des couples spin-orbite. / Spin-waves have been proposed as a possible technological path to overcome the hurdles encountered by the miniaturization of complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) into the nanometer range, demonstrated by recent developments in spin-wave-based logic devices. However the industrial appeal of these proofs-of-concept is conditional upon their scalable integration with CMOS technology. Here, we report on ultrathin Ta/CoFeB/MgO wires used as spin-wave waveguides. This system is chosen for its compability with CMOS processes, its perpendicular magnetic anisotropy and strong spin-orbit interactions. The latter are of interest for manipulating spin waves and are characterized via spin-torque ferromagnetic resonance where it is shown that the inverse spin Hall effect is responsible for the detection of magnetization dynamics. Following this, we use integrated nanometric coplanar waveguides to locally excite spin-waves in a broad range of wavevectors. Comparison of the measured spin-wave spectrum with analytical calculations show that the inverse spin Hall effect allows the wavevector-independent detection of spin-waves with wavelengths down to 150 nm. Complementary Brillouin light scattering experiments reveal that spin-waves in the ultrathin spin-wave waveguide with perpendicular magnetic anisotropy have unexpectedly high propagation lengths considering the relatively high damping in Ta/CoFeB/MgO systems. These findings pave the way for ultrathin CMOS-compatible spin-wave devices with excitation and detection techniques that are scalable into the nanometer range, with the prospect of controlling spin-waves via spin-orbit torques.

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Novel devices are being investigated as artificial synapse candidates for neuromorphic computing. These memory devices share the characteristics of an electronic element called memristor. The memristor can be regarded as a resistor with a history dependent resistance, which mimics the plasticity of a biological synapse. The present work presents various types of candidate devices that have been proposed in neuromorphic research, describes how they mimic a biological synapse and how they can be employed in artificial neuron network architectures.

Dans une première partie, nous avons étudié quelques propriétés de molécules magnétiques impliquant des radicaux organiques (seuls ou conjointement avec des terres rares). Nous avons ainsi pu interpréter l'évolution de la susceptibilité magnétique et de l'aimantation en fonction de la température en évaluant par des approches ab initio fonctions d'onde les constantes d'échange ou le tenseur g au sein de ces matériaux. De plus, nous avons chercher à définir les conditions pour que des matériaux à base de radicaux organiques présentent simultanément des propriétés magnétiques et conductrices. Nous avons ainsi examiné différentes familles de composés et l'influence de la structure géométrique et chimique des radicaux organiques utilisés. Pour cette partie, nous avons extrait les intégrales physiques pertinentes par la méthode des Hamiltoniens effectifs.Dans une deuxième partie, nous avons utilisés ces quantités physiques (intégrale de saut, répulsion sur site, échange) pour décrire le phénomène de transport dans des jonctions pour lesquelles les effets de la corrélation électronique ne peuvent être écartés. Munis de ces paramètres ab initio, nous avons développé un modèle phénoménologique permettant de décrire la conduction moléculaire à l'aide d'un jeu d'équations maîtresses. Nous avons ainsi cherché à mettre en évidence l'intérêt des approches post Hartree-Fock empruntant une fonction d'onde corrélée et de spin adapté dans la description du transport électronique. Que ce soit dans le cas de transport polarisé en spin ou non, l'approche utilisée (mono ou multi-déterminentale) conditionne qualitativement et quantitativement la caractéristique courant/tension. / In a first part, we studied the magnetic properties of organic radicals (coupled with rare earth or between each other). We calculated the magnetic exchange and the g-tensor of these compounds to understand their magnetic susceptibility and thei magnetization curves via ab initio calculations based on the wave-function. We studied how the chemistry and the crystal stacking affect meaningful parameters linked to magnetism and conduction. Those parameters were extracted with the thory of effective Hamiltonians fo various families of organic radicals. From the observed trends for the different parameters, we predicted some ways to obtain multifunctional compounds. In a second part, we used the same parameters (hoping integral, coulombic repulsion, magnetic exchange) to describe transport properties through highly correlated molecular junctions. From the ab initio parameters, we developed a phenomenological model based on master equations to describe the electronic transport. We stressed the importance of a multiconfigurational description to reproduce properly the transport properties for spin unpolarized and spin polarized situations. In both cases, the mono- or multi-configurational description affects qualitatively and quantitatively the predicted conductance curve.

Made available in DSpace on 2017-07-24T19:37:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Renan Augusto Ribeiro.pdf: 3827899 bytes, checksum: 9440ed4880cbb0fbf9997c789341ea92 (MD5) Previous issue date: 2015-03-12 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The development of spintronic has motivated the research for new half-metallic magnetic materials due to multifunctionality of these compounds and the spin-based devices fabrication with increased performance as compared to the usual electronic devices. From this perspective, we propose a theoretical investigation of FeBO3 (B = Ti, Zr, Hf, Si, Ge, Sn) ilmenite materials based on Density Functional Theory (DFT) within B3LYP hybrid functional to investigate the B-site cation replacement effect on the structural, elastic, magnetic and electronic properties of ilmenite materials. Calculated structural parameters are in agreement with experimental results and shown that the unit cell volume can be controlled by ionic radius of the B-site metals. The bond distances for FeO6 and BO6 octahedral clarify the Jahn-Teller distortion and Fe-O-B-O-Fe intermetallic connection. The elastic behavior was investigated from bulk modulus and showed that such results were influenced by different material densities. Furthermore, these quantities can be used for analyzing the thermodynamic stability of solids, proving that FeSnO3 and FeHfO3 are unstable due to the negative values for bulk modulus. The B-site radius effect is also evidenced on the magnetic property, where Fe(Ti, Si, Ge)O3 are antiferromagnetic, while Fe(Zr, Hf, Sn)O3 are ferromagnetic. The Mulliken population analysis and charge density maps show the charge corridor formation in the [001] direction due to the intermetallic connection with the B-site metals and electronegativity affecting the stability of ilmenite materials. The Density of States and Band Structure profiles show that antiferromagnetics materials and FeZrO3 are convectional semiconductors, whereas FeHfO3 and FeSnO3 exhibit intrinsic half-metallic behavior, making them promising candidates for spintronic devices. / O desenvolvimento da spintrônica tem motivado a busca por novos materiais magnéticos com comportamento meio-metálico devido à multifuncionalidade desses compostos e ao desenvolvimento de dispositivos baseados no spin do elétron, proporcionando um aumento do desempenho em relação aos dispositivos eletrônicos usuais. Nesse trabalho, propomos a investigação teórica, baseada na Teoria do Funcional de Densidade utilizando o funcional híbrido B3LYP, dos materiais FeBO3 (B = Ti, Zr, Hf, Si, Ge, Sn) na estrutura ilmenita com objetivo de esclarecer o efeito da substituição do cátion B sobre as propriedades estruturais, elásticas, magnéticas e eletrônicas. Os parâmetros estruturais calculados se mostraram em concordância com resultados experimentais e teóricos, revelando que o volume da célula unitária é controlado pelo raio iônico do cátion B. As distâncias de ligação calculadas para os octaedros FeO6 e BO6 indicam a existência do efeito de distorção Jahn-Teller e da conexão intermetálica Fe-O-B-O-Fe. O comportamento elástico foi investigado a partir do bulk modulus, indicando que tal entidade é dependente da densidade dos materiais e discute-se a possibilidade de utilizar esse fator para análise da estabilidade termodinâmica de sólidos, sugerindo a instabilidade dos materiais FeSnO3 e FeHfO3 devido aos valores negativos de bulk modulus. O efeito do tamanho dos cátions B é evidenciado sobre as propriedades magnéticas dos materiais, sendo que Fe(Ti, Si, Ge)O3 são antiferromagnéticos; enquanto que, Fe(Zr, Hf, Sn)O3 são ferromagnéticos. A análise populacional de Mulliken e os mapas de densidade de carga mostraram a formação de um corredor de carga nas conexões intermetálicas observadas na direção [001] e que a eletronegatividade dos cátions B afeta a estabilidade dos materiais com estrutura ilmenita. Os perfis de Densidade de Estados e Estrutura de Bandas mostram que os materiais antiferromagnéticos e o FeZrO3 são semicondutores convencionais, entretanto, FeHfO3 e FeSnO3 exibem comportamento meiometálico intrínseco, tornando-os promissores candidatos para dispositivos spintrônicos, porém, com outra estrutura.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von verdünnten magnetischen II-VI und III-V Halbleiter-Dünnschichten. Diese Systeme bieten vereinfachte optische kohärente Kontrolle von Spin-basierten Prozessen und eignen sich hervorragend für den Einsatz in zukünftigen opto-magnetischen Anwendungen. ZnO-, ZnXO-, GaN- und GaXN-Proben (X = Mangan, Cobalt) sind mit Hilfe der naßchemischen Sol-Gel Synthese hergestellt worden. Sie werden mit Hilfe der Photolumineszenzspektroskopie untersucht. Die spektrale Position der elektronischen Niveaus in der Nähe der Bandkante dieser Materialien wird bestimmt, um in weiteren Experimenten die freien und gebundenen Exzitonen einzeln abzufragen. Mit der Methode der zeitaufgelösten differentiellen Transmissionsspektroskopie (TRDT) werden die Lebensdauern dieser Ladungsträger bestimmt und mit ultraschnellen Prozessen der optischen Anregung und Relaxation in Verbindung gebracht. Die Methode der zeitaufgelösten Faraday-Rotation-Spektroskopie (TRFR) wird angewandt, um die kohärente Spindynamik des optisch angeregten Teilchenensembles zu beschreiben. Die Kohärenz unterliegt den Störeinflüssen verschiedener Streumechanismen, die in der vorliegenden Arbeit identifiziert und quantitativ beschrieben werden. Bei einigen untersuchten Materialsystemen (ZnCoO, ZnMnO und GaMnN) wird die jeweilige spezifische Elektron-Ion Austauschenergie N0α bestimmt, welche die Kopplungsstärke der elektronischen Spins zu denen der Dotierionen beschreibt.