Soutenance mémoire
Le phénomène d’anisotropie d’échange (exchange bias) a été découvert par Meiklejohn et Bean en 1956 en étudiant des particules ferromagnétiques de Co recouvertes par leur oxyde antiferromagnétique CoO [Mei 56]. Il a ensuite été observé dans des bicouches constituées d’une couche antiferromagnétique AFM déposée sur une couche ferromagnétique FM. Ce phénomène connaît depuis une vingtaine d’années un très grand intérêt dans le domaine de la recherche, en raison de ses applications dans les dispositifs de l’électronique de spin tels que les têtes de lecture de disques durs et les mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memories). On utilise dans ces dispositifs des vannes de spins et des jonctions tunnels qui se comportent comme des capteurs magnétorésistifs dont le fonctionnement est basé sur le principe de magnétorésistance géante (MRG) ou de magnétorésistance tunnel (MRT).
L’anisotropie d’échange se manifeste d’un point de vue macroscopique par un décalage en champ du cycle d’hystérésis, appelé champ d’échange HE, et le renforcement du champ coercitif HC. Elle n’apparaît que pour des températures inférieures à la température de Néel du matériau antiferromagnétique. Il est donc nécessaire, dans le cadre des applications, que cette température d’ordre soit nettement supérieure à la température ambiante. Toutefois, d’autres paramètres entrent en jeu comme, notamment, l’anisotropie des matériaux utilisés qui permet de stabiliser le comportement magnétique de la bicouche FM/AFM au cours du temps. Les applications se heurtent en effet à un problème de stabilité de la configuration magnétique des couches AFM pouvant conduire à la disparition des données au cours du temps [Ern 02].
Généralités sur l’anisotropie d’échange et ses applications
L’anisotropie d’échange : principes et modèles théoriques
Le phénomène d’anisotropie d’échange (« exchange bias ») a été découvert par Meiklejohn et Bean en 1956 en étudiant les propriétés magnétiques de particules ferromagnétiques de Co recouvertes par leur oxyde antiferromagnétique CoO [Mei 56, Mei 57]. Il a ensuite été observé dans des bicouches constituées d’une couche antiferromagnétique (AFM) déposée sur une couche ferromagnétique (FM). Il se manifeste par le décalage du cycle d’hystérésis suivant l’axe du champ magnétique. Ce décalage noté HE et appelé champ d’échange s’accompagne généralement d’une augmentation de la coercitivité HC de la couche FM . Ce phénomène dû à l’anisotropie unidirectionnelle induite par couplage d’échange à l’interface (FM/AFM) entre la couche FM et la couche AFM doit, pour être observé, être induit par un refroidissement sous champ magnétique du système FM/AFM, d’une température supérieure à une température inférieure à la température de Néel de la couche AFM [Nog 99b].
En effet, l’application d’un champ magnétique dans le domaine de température TN < T < TC oriente les moments magnétiques de la couche FM suivant la direction du champ appliqué, tandis que la couche AFM reste paramagnétique . Lorsque le système est refroidi sous champ jusqu’à une température inférieure à TN , les moments magnétiques de la couche AFM s’alignent suivant la direction des moments de la couche FM suivant un ordre AFM . Dans la pratique, on distingue la température de Néel de la température de blocage des spins dont on reparlera ultérieurement.
Lorsque l’on réalise ensuite un cycle d’aimantation, partant de l’état (b), la décroissance puis l’inversion du champ magnétique appliqué provoque un retournement progressif des moments de la couche FM alors que les moments de la couche AFM conservent leur orientation, . Il y a alors compétition entre l’énergie Zeeman qui tend à aligner l’aimantation FM parallèlement au champ magnétique extérieur appliqué et le couplage d’échange à l’interface FM/AFM qui tend à maintenir les moments FM parallèlement aux moments AFM. En conséquence, ce couplage d’interface augmente la valeur du champ nécessaire pour retourner l’aimantation de la couche FM . Le champ supplémentaire nécessaire pour vaincre le couple créé entre les moments de l’interface FM/AFM et retourner l’aimantation, est appelé champ d’échange HE [Nog 99b]. Lors de la remontée du champ magnétique appliqué, les moments de la couche FM se retournent à une valeur de champ plus faible . En effet le couplage d’interface favorise dans ce cas le retournement de l’aimantation de la couche FM.
En général, le champ d’échange HE est de sens opposé au champ de refroidissement ( HF ) caractérisant ainsi un échange négatif [Nog 99b]. Mais, dans certains cas beaucoup moins usuels et pour des champs de refroidissement élevés (exemple des bicouches FeF 2/Fe), HE et HF sont de même signe témoignant alors de l’échange positif [Fit 07 , Nog 96 , Nog 00].
Les variations de l’intensité du champ de refroidissement HF [Nog 96] ou de la température d’utilisation [Hau 06] peuvent aussi induire des variations de HE, voire dans certains cas un changement de signe. Plusieurs modèles théoriques ont été développés pour rendre compte de l’anisotropie d’échange et comprendre les différents mécanismes physiques qui entrent en jeu pour la détermination du champ d’échange. Un grand nombre de ces modèles est rapporté dans la littérature [Ber 99, Kiw 01, Nog 99b, Sta 00, Sti 99]. On peut les classer en trois catégories selon l’échelle d’étude : les modèles macroscopiques, mésoscopiques et microscopiques.
Modèles macroscopiques
Les modèles macroscopiques ne tiennent pas compte de la structure magnétique fine à l’interface [Coe 02, Nog 05]. Les couches minces sont supposées homogènes et l’interface est considérée comme parfaitement plane, et la surface AFM est non compensée, en d’autres termes la couche AFM présente alternativement des plans d’aimantation +M et −M, tous les moments de chaque plan étant orientés suivant la même direction.
Modèle de Meikeljohn et Bean
Le modèle de Meikeljohn et Bean est le modèle original le plus simple décrivant l’effet de l’anisotropie d’échange [Mei 56 , Mei 57 , Mei 62]. Ce modèle est basé sur les hypothèses suivantes :
– l’interface FM/AFM est parfaitement plane et sans rugosité,
– l’anisotropie de la couche AFM au dessous de TN est supérieure à l’anisotropie de la couche FM et les moments de la couche AFM sont fixes,
– les matériaux FM et AFM sont monodomaines,
– la surface AFM est parfaitement non compensée,
– l’anisotropie est planaire et les axes d’anisotropies FM et AFM sont colinéaires.
Modèle de Néel/Mauri
Afin d’expliquer la différence entre les valeurs de champ d’échange déterminées par le modèle de Meiklejohn et Bean et les résultats expérimentaux, Kouvel [Kou 61] et Néel [Nee 67] puis Mauri et al. [Mau 87] ont proposé la création d’une paroi de domaine énergétiquement plus favorable parallèle à l’interface dans la couche FM ou AFM. Dans ce modèle la structure AFM n’est plus considérée comme rigide.
De plus, Mauri a posé les hypothèses suivantes :
– l’interface est idéale, non-compensée et sans rugosité,
– la couche AFM est suffisamment épaisse de façon à permettre l’apparition d’une paroi en son sein,
– l’épaisseur de la couche FM est beaucoup plus petite que l’épaisseur de la paroi de domaine dans la couche FM
– les axes d’anisotropies FM et AFM sont colinéaires,
– l’axe d’anisotropie AFM est parallèle au champ appliqué pendant le processus de refroidissement sous champ.
La désorientation des moments magnétiques dans la couche AFM à l’interface a pour effet de réduire considérablement l’intensité de l’échange à l’interface et donc la valeur du champ HE.
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Table des matières
Introduction générale
I Généralités sur l’anisotropie d’échange et ses applications
I.1 L’anisotropie d’échange : principes et modèles théoriques
I.1.1 Modèles macroscopiques
I.1.1.1 Modèle de Meikeljohn et Bean
I.1.1.2 Modèle de Néel/Mauri
I.1.2 Modèles mésoscopiques
I.1.2.1 Modèle de Malozemoff
I.1.2.2 Modèle de Takano
I.1.3 Modèles microscopiques : modèle de Koon
I.2 L’anisotropie d’échange : structures et applications
I.2.1 Structures à anisotropie d’échange
I.2.2 Applications de l’anisotropie d’échange
I.2.2.1 Magnétorésistance géante (MRG) et vannes de spin
I.2.2.2 Magnétorésistance tunnel (MRT) et jonction tunnel
I.3 Anisotropie d’échange perpendiculaire : état de l’art
I.3.1 Multicouches (P t/Co)n
I.3.2 Propriétés des structures (P t/Co(tCo))3/antiferromagntique
I.3.2.1 Influence de l’épaisseur de la couche de cobalt
I.3.2.2 Influence du nombre n de répétitions de bicouches (P t/Co)
I.3.2.3 Influence de l’insertion d’une couche séparatrice de P t entre les couches ferromagnétique et antiferromagnétique
I.3.3 Alliage antiferromagnétique IrMn
I.4 Objectif de l’étude
II Techniques expérimentales
II.1 Elaboration de couches minces par pulvérisation cathodique
II.1.1 Principe de la pulvérisation cathodique
II.1.2 Paramètres influant sur la morphologie et la microstructure
II.1.3 Préparation des échantillons
II.2 Sonde atomique tomographique
II.2.1 Principe de fonctionnement de la sonde atomique tomographique
II.2.1.1 Mesure du temps de vol et spectrométrie de masse
II.2.1.2 Reconstruction 3D du volume analysé
II.2.2 Sonde atomique assistée par laser femtoseconde
II.3 Faisceau d’ions focalisé et préparation des pointes
II.3.1 Principe du FIB
II.3.2 Préparation des pointes par FIB
II.3.3 Effet de l’irradiation aux ions Ga+ sur la structure des multicouches
II.4 Diffraction et réflectométrie de rayons X
II.4.1 Diffraction de rayons X
II.4.2 Réflectométrie de rayons X
II.5 Magnétomètre à SQUID
III Propriétés magnétiques et nanostructurales
III.1 Propriétés magnétiques des multicouches [(P t/CotCo)3/P ttP t/IrMn]n
III.1.1 Multicouches avec : tCo = 0,4 nm et n = 1
III.1.2 Multicouches avec : tCo = 0,4 nm et n = 7
III.1.3 Multicouches avec : tCo = 0,6 nm et n = 1
III.1.4 Multicouches avec : tCo = 0,6 nm et n = 7
III.2 Caractérisation structurale globale
III.2.1 Réflectométrie de rayons X aux petits angles
III.2.1.1 Echantillon sans spacer de P t
III.2.1.2 Echantillon avec spacer de P t
III.2.1.3 Comparaison des deux échantillons
III.2.2 Diffraction de rayons X aux grands angles
III.3 Discussion
III.3.1 Influence du spacer de P t sur le champ d’échange
III.3.2 Influence de l’épaisseur des couches de Co sur le champ d’échange
III.3.3 Influence sur l’aimantation à saturation
III.3.4 Influence du nombre de séquences ([P t2nm/CotCo]3/P ttP t/IrMn7nm
III.4 Conclusion du chapitre III
Conclusion générale
