Soutenance mémoire
Enjeux sociétaux relatifs à l’amélioration des dispositifs électroniques
Limitations de la technologie CMOS
La technologie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) est la plus répandue pour réaliser des circuits logiques NAND et NOR utilisés pour les opérations de calculs dans les processeurs. Les efforts communs dans la recherche et dans l’industrie pour l’amélioration des procédés de fabrication des transistors CMOS ont permis d’augmenter par deux la puissance des processeurs tous les deux ans et ainsi de respecter la loi « prophétique » de Moore [Moore 2006]. Pour cela, ces industries ont fait le choix de diminuer la taille des transistors afin d’augmenter le nombre de transistors par processeur et ainsi d’augmenter la puissance de calcul de ces derniers : on est passé d’une taille de 90 nm pour un transistor dans les années 2000 à une taille de 7 nm aujourd’hui . A force de réduire la taille des transistors, on s’approche inexorablement d’une limite physique (augmentation de la résistance, phénomènes quantiques émergents) et diminuer leur taille ne serait-ce que d’un atome est un challenge technologique et économique [Waldrop 2016]. La technologie CMOS atteint donc ses limites et il est nécessaire de passer à de nouvelles technologies afin de continuer à respecter la loi de Moore, mais aussi de développer de nouveaux paradigmes de programmation et de nouvelles architectures afin d’améliorer les performances des processeurs.
Actuellement les processeurs sont bâtis suivant une architecture de Von Neumann: chaque processeur peut être assimilé à une unité de traitement (ALU, Arithmetic–Logic U) gérant les calculs logiques, une unité de contrôle donnant les instructions du calcul et d’une unité mémoire dite « mémoire cache » ), toutes ces unités sont interconnectées entre elles, donnant lieu à des transferts de données. La puissance d’un processeur ne se résume donc pas qu’à la puissance de son unité de traitement, mais aussi aux capacités des autres unités, en particulier celle de la mémoire. A quoi servirait une unité centrale capable de traiter plus de 10 To/s de données si on ne peut en transférer que 2 To/s ? Au début (à la fin) d’un calcul, les données sont transférées depuis (vers) d’autres dispositifs de mémoire situés dans l’ordinateur, soit pour une utilisation ultérieure dans un autre calcul (mémoire dite « vive »), soit pour la stocker définitivement (mémoire dite « morte »). On distingue deux types de mémoires, les mémoires dites « volatiles » (i.e. nécessitant d’être alimentées pour conserver l’information) ou à l’inverse, les mémoires « non volatiles ». Les capacités de transfert et de stockage ont donc un impact direct sur les capacités de calculs d’un ordinateur et leur amélioration est tout autant nécessaire que celle des unités de calcul du processeur afin d’augmenter les performances d’un ordinateur : à quoi servirait un processeur capable de traiter plus de 2 To/s de données si on ne peut en transférer que 500 Go/s et en enregistrer que 1 Go ?
Spintronique
Le domaine de la « spintronique » regroupe la recherche et les applications utilisant le spin comme nouveau degré de liberté pour coder l’information ou transporter l’information. Plusieurs effets physiques ont été étudiés et utilisés dans l’industrie électronique. La spintronique est un domaine très prometteur pour développer de nouveaux types de mémoires. Elle a déjà fait ses preuves en introduisant les mémoires non-volatiles MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory) [Apalkov 2016] et STT-(M)RAM (Spin Transfert Torque Magnetoresistance Random Access Memory) [Chen 2010] comme mémoires vives et en montrant que le débit de ces STT-RAM pouvait être compétitif avec certaines mémoires caches des processeurs, tout en présentant une bien meilleure capacité de stockage [Jog 2012]. Les dispositifs de la spintronique permettraient de transcender l’architecture de Von Neumann en développant de nouveaux types de transistor traitant à la fois la partie logique et la partie mémoire, réduisant ainsi les transferts de données [Manipatruni 2019].
Magnétorésistance Géante
La spintronique a émergé dans les années 1990, après que le phénomène de magnétorésistance géante a été découvert à l’interface entre Fe(001) et Cr(001) en 1988 [Baibich 1988] [Binasch 1989]. La magnétorésistance est définie comme la variation de la résistance électrique en fonction d’un champ magnétique externe ou de l’aimantation des matériaux.
Les équipes de Fert [Baibich 1988] et Grunberg [Binasch 1989] ont mesuré un taux de magnétorésistance de 50% à l’interface conductrice Fe/Cr, largement supérieur aux valeurs de magnétorésistance des matériaux de l’époque (quelques %). Ici l’état de résistance maximale correspond à une aimantation parallèle entre le moment du fer et du chrome (Rmax = RP ), tandis que l’état de résistance minimale correspond au cas où les deux aimantations sont antiparallèles entre elles (Rmin = RAP ). Ce phénomène est appelé magnétorésistance géante ou GMR (Giant MagnetoResistance). La magnétorésistance géante a permis l’élaboration de nouveaux types de capteur : les valves de spin. Elles sont composées d’une couche ferromagnétique d’aimantation fixe et d’une couche ferromagnétique avec une aimantation facilement retournable, séparés par une couche métallique non-magnétique. Ces capteurs ont été démocratisés à partir des années 2000 avec l’apparition de nouvelles têtes de lecture de disques durs qui ont permis d’augmenter considérablement (d’un facteur 100) leurs capacités de stockage de l’époque [Reig 2013]. Ces valves de spin sont aujourd’hui largement utilisées dans l’industrie automobile en tant que capteurs de vitesse et d’angles [Kapser 2013]. La découverte de la magnétorésistance géante a de plus remis au goût du jour les effets de magnétorésistance tunnel (TMR, Tunnel MagnetoResistance) au travers des jonctions tunnels magnétiques ou MTJ (Magnetic Tunnel Junction) [Baraduc 2013].
Magnétorésistance tunnel
Une jonction tunnel magnétique est composée de deux couches ferromagnétiques séparées par une fine couche isolante généralement non-magnétique. La première couche magnétique (polariseur) agit comme un filtre de spin, un courant électrique parcourant cette couche se polarise en spin, puis traverse la couche isolante par effet tunnel jusqu’à la deuxième couche magnétique (analyseur). Le courant de spin et de charge subit une résistance différente lorsque l’aimantation de l’analyseur est parallèle (Résistance basse) ou antiparallèle (Résistance haute) au spin des électrons qui traversent par effet tunnel . En 1983, De Groot et al. [de Groot 1983] prédirent une TMR géante de plus de 1000% dans la tricouche Fe/MgO/Fe. Quelques années plus tard, Yuasa et ses associés mesurèrent expérimentalement une TMR de 200% à température ambiante pour ce même système [Yuasa 2004]. Ces forts taux de magnétorésistance dans les jonctions tunnel magnétiques ont permit entre autre l’élaboration d’un nouveau type de mémoire RAM, à savoir la mémoire non-volatile que nous avons évoquée précédemment, la MRAM. Les MRAM sont composées d’une jonction tunnel magnétique et de canaux de courant électrique adjacents à la jonction. La lecture du dispositif se fait en injectant un courant dans la MTJ et en mesurant sa résistance : une résistance faible (aimantations parallèles) correspond au bit 1, tandis qu’une résistance haute (aimantations antiparallèles) correspond au bit 0. L’écriture est gérée via l’intermédiaire d’un champ magnétique local produit par l’injection d’un courant électrique dans les circuits adjacents.
Les MRAM sont commercialisées depuis les années 2000 et présentent maintenant des caractéristiques compétitives avec les mémoires DRAM (Dynamic Random Access Memory) , avec une vitesse de lecture rapide (30 ns) associée à une grande endurance. Malheureusement à cause de l’utilisation d’un champ magnétique externe présentant une dispersion plus grande que les champs électriques, la capacité de stockage (32Mo ) est nettement inférieure à celle des DRAM. Une alternative possible à l’utilisation du champ magnétique est l’utilisation d’un autre phénomène physique : le transfert de spin par effet torque (STT).
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Table des matières
Introduction
1 Interaction spin-orbite dans les oxydes et spinorbitronique
1.1 Enjeux sociétaux relatifs à l’amélioration des dispositifs électroniques
1.1.1 Limitations de la technologie CMOS
1.1.2 Spintronique
1.1.3 Spinorbitronique
1.2 Couplages Spin-orbite
1.2.1 Couplages spin-orbite atomique
1.2.2 Couplages spin-orbite dans les solides
1.2.3 Couplages spin-orbite Dresselhaus et Rashba
1.2.4 Effets des couplages spin-orbite sur la structure de bandes
1.3 Conversions spin-charge
1.3.1 Effet Hall de spin
1.3.2 Phénomènes de relaxation du spin
1.3.3 Effet galvanique de spin et effet Rashba-Edelstein
1.3.4 Taux de conversion courant de spin vers courant de charge
1.4 Oxydes de métaux de transition
1.5 Objectifs de la thèse
2 Méthodes de calcul
2.1 Approximation de Born-Oppenheimer
2.2 Théorème de Bloch
2.3 Théorie de la fonctionnelle de la densité
2.3.1 Approximations du terme d’échange et corrélation
2.3.2 Base de l’hamiltonien
2.4 Méthodes des invariants
2.5 Logiciels et supercalculateur utilisés
2.5.1 VASP
2.5.2 Wannier90
2.5.3 Supercalculateur du centre CALMIP et Parallélisation
2.5.4 Post-traitement
3 Effets spin-orbite dans le gaz bidimensionnel d’électrons à l’interface tout-oxyde LaAlO3/SrTiO3(001)
3.1 État de l’art
3.1.1 Propriétés du cristal massif SrTiO3
3.1.2 Origines du gaz bidimentionnel d’électrons
3.1.3 Caractéristiques de la structure électronique associée au gaz 2D d’électrons
3.1.4 Effets d’une tension de grille
3.1.5 Effets d’une contrainte épitaxiale
3.1.6 Couplage spin-orbite à l’interface LaAlO3/SrTiO3(001)
3.1.7 Propriétés de transport de l’interface LaAlO3/SrTiO3
3.2 Effets de la dimension sur la densité de charge
3.3 Effets d’un champ électrique externe sur la structure électronique de l’interface conductrice de LaAlO3 / SrTiO3
3.3.1 Variation de la densité de charge
3.3.2 Variation de la structure de bandes
3.3.3 Variations des couplages spin-orbite
3.4 Effets d’une contrainte biaxiale
3.4.1 Variation de la densité de charge
3.4.2 Variation de la structure de bandes
3.4.3 Variations des couplages spin-orbite
3.5 Conclusion et perspectives
3.5.1 Résumé
3.5.2 Perspectives
4 Evolution des couplages spin-orbite dans l’oxyde ferroélectrique PbTiO3 en fonction d’une contrainte épitaxiale
4.1 Contexte de l’étude
4.1.1 Lien entre polarisation électrique et couplages spin-orbite
4.1.2 PbTiO3, un oxyde ferroélectrique aux effets spin-orbite importants ?
4.1.3 Effets de la contrainte épitaxiale et stabilité des phases cristallographiques de PbTiO3
4.1.4 Objectifs de l’étude
4.2 Propriétés physico-chimiques de l’oxyde PbTiO3 dans son état d’équilibre
4.2.1 Propriétés générales
4.2.2 Couplages spin-orbite
4.2.3 Résumé
4.3 Effets d’une contrainte biaxiale en compression (η < 0)
4.3.1 Évolution de la structure atomique en fonction de la contrainte
4.3.2 Variations des propriétés électroniques et spin-orbite
4.3.3 Résumé
4.4 Effets d’une contrainte biaxiale en tension (η > 0)
4.4.1 Évolution de la structure atomique en fonction de la contrainte
4.4.2 Variations des propriétés électroniques
4.4.3 Évolution des couplages spin-orbite au point Γ en fonction de la contrainte
4.4.4 Résumé
4.5 Conclusion
4.5.1 Résumé des travaux sur PbTiO3
4.5.2 Perspectives
Conclusion
