Soutenance mémoire
Les matériaux magnétiques
Quelques notions de magnétisme
La découverte des propriétés magnétiques de certains matériaux remonte à l’antiquité, de nombreuses références à des pierres attirant le fer ont été découvertes que ce soit en Chine ou en Grèce. Bien que des théories permettant de décrire correctement l’aimantation d’un matériau sont longtemps restées hors de portée des physiciens, des applications liées au magnétisme ont rapidement été mises en oeuvre. De ce point de vue, la fabrication de boussoles rudimentaires à partir de cuillères taillées dans de la magnétite en Chine aux alentours de -200 av. JC a vraisemblablement été la première utilisation technique de propriétés magnétiques. Il aura cependant fallu attendre la fin du XIXe siècle pour voir apparaître des études théoriques permettant de décrire qualitativement et quantitativement les matériaux magnétiques. Ces études ont servi de base à la fabrication de nombreuses applications industrielles telles que les aimants permanents, des capteurs, des concentrateurs de flux magnétique et bien d’autres.
La structure électronique du système est modélisée par des bandes plutôt que par des orbitales. Il est possible de séparer les bandes en deux sous-bandes selon l’état de spin des électrons. Un matériau est ferromagnétique s’il y a un décalage en énergie de ces deux sous-bandes . Ce décalage provient du principe d’exclusion de Pauli : deux électrons de spin opposé se repoussent plus que deux électrons de spin identique car deux électrons de même spin ne peuvent se retrouver dans le même état. Il est possible de modéliser cet effet par une énergie répulsive de grandeur U. Le système répartira les électrons de façon à minimiser la somme de l’énergie cinétique et de l’énergie de répulsion entre deux électrons. La situation stable peut être d’avoir deux sous-bandes symétriques, ou au contraire d’avoir un décalage entre les deux sous-bandes. Cela dépend des valeurs de la densité d’état au niveau de Fermi N(EF ) et de U. Le critère de Stoner indique qu’un matériau est ferromagnétique si UN(EF )>1. Ces matériaux sont donc ceux qui ont une grande densité d’état au niveau de Fermi. L’asymétrie en spin de la densité d’états se traduit par une différence de population des deux catégories de spin N↑ − N↓, donnant un moment magnétique (N↑ − N↓)µB. Bien que les électrons 3d soient délocalisés, la modélisation du magnétisme des métaux de transitions par une assemblée de moments localisés peut dans certains cas donner un accord correct avec l’expérience.
Il existe également une catégorie de matériau appelés diamagnétiques pour lesquels aucune contribution magnétique n’est détectable. Seule la signature des courants induits par un champ magnétique (d’habitude masquée par les contributions magnétiques) est détectable. Ces courants produisent un champ magnétique s’opposant au champ qui les a créés. Le signal magnétique de tels matériaux est une droite ne saturant jamais et de pente négative. Le cuivre ou le silicium sont des matériaux diamagnétiques.
L’anisotropie magnétique
Les échantillons magnétiques peuvent présenter des directions préférentielles d’aimantation. Ce phénomène est appelé anisotropie magnétique. Le contrôle de cette anisotropie est crucial pour la conception d’application utilisant des propriétés magnétiques. Dans le cas du stockage de l’information, les matériaux utilisés doivent présenter deux postions stables en l’absence de perturbation extérieure, et ceci peut se réaliser si un axe d’anisotropie est induit dans le matériau. L’énergie volumique du système peut s’écrire :
E = −Keff cos²(θ)
où θ est l’angle entre l’aimantation et l’axe d’anisotropie et Kef f est la constante d’anisotropie effective. Cette constante donne la barrière d’énergie à franchir pour faire passer l’aimantation d’une position stable à l’autre et permet de déterminer la stabilité d’un aimant vis à vis des fluctuations thermiques. Les standards de l’industrie des mémoires non-volatiles imposent que cette stabilité soit suffisamment importante pour que le taux de retournement dû aux fluctuations thermiques soit inférieure à 10⁻¹² sur une durée de 10 ans. Ce critère peut s’écrire Kef fV > 50kBT, où kB est la constante de Boltzmann, V le volume magnétique et T la température du système. Kef fV est la hauteur de barrière à franchir pour passer d’une configuration stable à l’autre. Cette constante d’anisotropie peut être calculée à partir des mesures de cycle magnétique effectuées parallèlement et perpendiculairement à l’axe d’anisotropie.
Une mesure d’aimantation parallèle à l’axe d’anisotropie donnera en général un cycle d’hystérésis, tandis qu’un cycle mesuré perpendiculairement à cet axe donnera une variation linéaire de l’aimantation, saturant à MS au champ d’anisotropie HK. Il convient cependant de garder à l’esprit que plusieurs axes d’anisotropies peuvent coexister.
Les couches minces magnétiques, matériaux à aimantation perpendiculaire
Dans le cadre des technologies de stockage de l’information, les matériaux magnétiques utilisés sont fabriqués en couches minces. Plusieurs techniques permettent d’obtenir de telles couches, mais le principe reste le même : un matériau magnétique est déposé sur un substrat, son épaisseur étant bien inférieure à ses dimensions latérales. Typiquement, l’épaisseur de la couche déposée varie de quelques Å à quelques µm. Il existe plusieurs techniques de dépôt de couches minces présentant chacune ses propres inconvénients et avantages : dépôt par épitaxie par jets moléculaires, évaporation, pulvérisation cathodique, etc… Cette dernière méthode présente l’avantage d’être adaptée aux standards de l’industrie, et sera détaillée dans la suite de ce chapitre. Les matériaux magnétiques sous forme de couches minces vont présenter des caractéristiques physiques pouvant être très différentes du matériau massif. Dans de telles structures, les effets d’interface vont être prépondérants, et il devient possible de faire apparaître de nouvelles propriétés impossibles à obtenir dans un matériau massif. Une catégorie de couches minces magnétiques présente des propriétés particulièrement intéressantes pour les applications spintroniques, il s’agit des matériaux dits à « aimantation perpendiculaire ». L’aimantation est dite perpendiculaire lorsque l’axe de facile aimantation est perpendiculaire au plan des couches. Cette situation est défavorable d’un point de vue magnétostatique, l’aimantation étant tirée dans la direction de la plus grande dimension de l’échantillon par le champ démagnétisant . Cependant, en jouant sur les matériaux mis aux interfaces de la couche magnétique ou avec sa structure cristalline, il est possible d’induire une anisotropie perpendiculaire supérieure à l’énergie magnétostatique, et d’obtenir une aimantation hors du plan. Cette configuration a de nombreux avantages pour les applications de stockage de l’information. En particulier, l’énergie d’anisotropie Kef f de tels matériaux est en général bien supérieure à celle des matériaux à aimantation planaire, ce qui permet de fabriquer des dispositifs plus stables et plus petits. D’autre part, l’aimantation pointant hors du plan, elle n’est plus sensible à la forme latérale du matériau, tant que l’épaisseur de la couche reste bien inférieure à ses dimensions latérales. Les dispositifs submicroniques fabriqués par gravure d’une couche continue sont ainsi moins sensibles aux défauts géométriques engendrés durant la fabrication.
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Table des matières
Introduction
1 Introduction : le magnétisme, la spintronique et les MRAM
1.1 Les matériaux magnétiques
1.1.1 Quelques notions de magnétisme
1.1.2 L’anisotropie magnétique
1.1.3 Les couches minces magnétiques, matériaux à aimantation perpendiculaire
1.2 Couplages dans les multicouches magnétiques
1.2.1 Couplage direct par trou d’épingle
1.2.2 Couplage de Néel ou peau d’orange
1.2.3 Couplage RKKY
1.2.4 Couplage dipolaire
1.3 Caractérisation magnétique
1.3.1 Le magnétomètre à échantillon vibrant
1.3.2 Le magnétomètre à SQUID
1.3.3 Les mesures d’effet Hall extraordinaire
1.3.4 Les mesures magnéto-optique d’effet Kerr polaire
1.4 Les dépôts par pulvérisation cathodique magnétron
1.5 Transport dépendant du spin
1.5.1 Diffusion dépendante du spin
1.5.2 La magnétorésistance géante
1.5.3 Polarisation en spin des électrons
1.5.4 La magnétorésistance tunnel
1.5.5 Le couple de transfert de spin
1.6 Les MRAM
1.6.1 Comparaison avec différents types de mémoires
1.6.2 Les MRAM à aimantation planaire à écriture par champ
1.6.3 Les MRAM à écriture par couple de transfert de spin
1.6.4 Les MRAM à aimantation perpendiculaire
1.6.5 Les MRAM assistées thermiquement (TA-MRAM)
1.7 L’assistance thermique dans les jonctions à aimantation perpendiculaire
1.8 Objectifs de la thèse
2 Développement de multicouches (Co/Pt) et (Co/Pd)
2.1 L’anisotropie magnétique perpendiculaire dans les multicouches (Co/NM)
2.1.1 Champ démagnétisant et anisotropie de forme
2.1.2 Anisotropie magnétocristalline
2.1.3 Effets des contraintes
2.1.4 Effets induits aux surfaces et interfaces
2.1.5 Effets des rugosités et diffusions
2.2 Détermination des contributions d’anisotropie de volume et d’interface
2.3 Anisotropie perpendiculaire des tricouches Pt/Co/Pt et Pd/Co/Pd
2.4 Asymétrie d’anisotropie interfaciale entre interfaces supérieure et inférieure
2.4.1 Mise en évidence de l’asymétrie
2.4.2 Remplacement du platine par du palladium
2.4.3 Mesure de l’anisotropie d’interface de différents métaux
2.5 Effet de l’interdiffusion Co-Pt à l’interface supérieure
2.5.1 Effet de l’insertion de cuivre dans les tricouches Pt/Co/Pt
2.5.2 Influence de l’épaisseur de la couche de platine de couverture sur l’anisotropie
2.6 De la tricouche NM/Co/NM à la multicouche magnétique (Co/NM)n
2.6.1 Comparaison entre les multicouches (Co/Pt)n et (Co/Pd)n
2.6.2 Développement de multicouches (Co/Cu/Pt)n
2.7 Conclusion
3 Développement de multicouches (Co/Tb)
3.1 Alliages TbCo
3.1.1 Ferrimagnétisme des alliages TbCo
3.1.2 Anisotropie des alliages RE-TM
3.2 Méthodes de fabrication d’alliages RE-TM
3.3 Développement de multicouches (Co/Tb)
3.3.1 Ajustement de la composition
3.3.2 Influence de l’épaisseur totale de la multicouche
3.3.3 Influence de l’épaisseur de la bicouche Co/Tb
3.4 Caractérisation structurale
3.5 Conclusion
4 Fabrication de jonctions tunnel à aimantation perpendiculaire
4.1 Fabrication de la barrière tunnel
4.1.1 Mesures CIPT
4.1.2 Étude du degré d’oxydation de la barrière
4.2 Électrodes à aimantation perpendiculaire
4.2.1 Calcul théorique
4.2.2 Fabrication des électrodes
4.3 Effet des champs rayonnés : étude de structures SAF
4.3.1 Structures SAF perpendiculaires
4.3.2 Effet de l’insertion d’une couche de Pt
4.3.3 Réduction du couplage dipolaire
4.4 Caractéristiques électriques des jonctions perpendiculaires
4.4.1 Multicouches (Co/Pt) et barrière d’alumine
4.4.2 Multicouches (Co/Pd) et barrière de MgO
4.4.3 Utilisation de multicouches (Co/Tb)
4.5 Conclusion
5 Effets de la température sur l’anisotropie
Conclusion
