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SPINtronique et TEchnologie des Composants

M AGNETORESISTANCE ET T RANSFERT DE S PIN DANS LES J ONCTIONS T UNNEL M AGNETIQUES Aurélien Manchon Directeur de thèse: Bernard Rodmacq Correspondant CEA: Bernard Dieny. SPINtronique et TEchnologie des Composants.

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SPINtronique et TEchnologie des Composants

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Presentation Transcript

  1. MAGNETORESISTANCEET TRANSFERT DE SPINDANS LES JONCTIONS TUNNEL MAGNETIQUESAurélien ManchonDirecteur de thèse: Bernard RodmacqCorrespondant CEA: Bernard Dieny Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  2. SPINtronique et TEchnologie des Composants « Un pont entre la recherche fondamentale et les applications technologiques » Enregistrement magnétique, MRAM, micro-magnétisme, matériaux fonctionnels, effet Hall extraordinaire, injection de spin dans le silicium, transfert de spin… Théorie du transport Matériaux fonctionnels B. Rodmacq C. Ducruet S. Auffret A. Vedyayev M. Chschiev D. Gusakova N. Ryzhanova Caractérisations du transport J. Vogel S. Pizzini C. Baraduc B. Dieny U. Ebels G. Panaccione M. Hochstrasser K.-J. Lee C. Thirion S. Petit Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  3. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  4. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  5. I. Contexte et problématiques A. Jonctions tunnel magnétiques H Transport déterminé par les densités d’états aux interfaces et par la nature de la barrière Couche libre Modèle de Jullière - 1975 (règle d’or de Fermi): Al2O3, MgO… J Couche piégée IrMn, FeMn, SAF d~10 µm-100 nm AlOx: TMR = 20-70% MgO: TMR = 100-500% Vanne de spin métallique: GMR = quelques % Modèle limité aux barrières d’alumine, amorphes, transport d’électrons s-d itinérants Jonctions réelles: influence de la barrière (hauteur et épaisseur), influence des impuretés, des magnons, symétries cristallines (MgO), etc… Contrôle de l’oxydation de la barrière et des interfaces Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  6. I. Contexte et problématiques B. Transfert de spin Couple Électrons itinérants Aimantation hors équilibre Électrons localisés Aimantation locale = polarisation Couple Électrons localisés Aimantation locale Électrons itinérants Aimantation hors équilibre = transfert de spin Première observation dans les vannes de spin métalliques (1998), puis JTM (2004!) Contrôle des aimantations par courant polarisé Renversement & Excitations R (W) A. Manchon et al., PRB 73, 184419 (2006); PRB 73, 184418 (2006) A. Manchon et al., JMMM 316, e977 (2007) H (Oe) I (mA) Huai et al. Appl. Phys. Lett. 84, 3118 (2004) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  7. Deux objectifs majeurs: • Réalisation de JTMs avec une TMR maximale et une résistance faible • Réduction du courant critique de renversement d’aimantation Aspects fondamentaux: • Influence de la structure atomique sur le transport tunnel (symétries et rôle de l’oxygène) • Spécificités du transfert de spin dans les jonctions tunnel magnétiques Objectifs de la thèse : • Compréhension du rôle de l’oxygène dans l’optimisation des barrières tunnel • Décrire le transfert de spin dans les JTMs I. Contexte et problématiques C. Problématique et objectifs Applications potentielles du transfert de spin dans les jonctions tunnel magnétiques: MRAM, têtes de lectures, oscillateurs RF Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  8. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  9. II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel A. Effets d’interface sur Co/AlOx Influence de l’oxygène sur le transport Ox Al Max d’anisotropie perpendiculaire Co Pt Ox Al Co Max de réflexion spéculaire Cu IrMn Courant dans le plan S. Monso et al., Appl. Phys. Lett. 80, 4157 (2002); Rodmacq et al. J. Appl. Phys. 93, 7513 (2003) Oxydation optimale=Anisotropie Max=TMR Max Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  10. II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel B. Propriétés magnétiques Ox plasma Al (1.6 nm) H Co (0.6 nm) Pt (3 nm) Effet Hall extraordinaire (EHE): Ox. Naturelle 30 min@ 3 10-3 mbar Même comportement pour M=Mg, Ta, Ru Anisotropie oxygène interfacial Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  11. II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel C.1 Spectroscopie de rayons X Combinaison de 2 techniques complémentaires Spectroscopie d’absorption (XAS) (hn< DE) Spectroscopie de photoémission (XPS) (hn> DE) e- Niveau de Fermi e- DE Niveaux de coeur (2p, 3p…) XAS: composition chimique moyennée sur le volume de la couche sondée XPS: composition chimique limitée à la première monocouche sondée Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  12. Oxydation par les joints de grains Ox Co-Al & Co-Co Al Al Al Co Co-Al & Co-Co Co-O Co-O Bae et al., APL 80, 1168 (2002) Maximum d’AMP Interface Co/AlOx pratiquement oxydée à 100% II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel C.2 Spectroscopie de photo émission Spectres XPS des niveaux 2p du Co Co pur CoO pur A. Manchon et al., accepté à JAP Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  13. II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel D. Influence de l’oxygène l’anisotropie magnétique Co 3d Champ cristallin D Couplage Co 3d- O 2p Transfert de charge Co 3d- O 2p O 2p • Interface + Oxygène: orbitales d levée de dégénérescence (champ cristallin D, P. Bruno, Phys. Rev. B 39, 865 (1989)) • Transfert de charge Co-O (Oleinik, et al. Phys. Rev. B 69, 3952 (2000)) favorise la présence d’oxygène à l’interface Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  14. II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel E.1 Influence du recuit Importance du recuit dans la réalisation de jonctions tunnel magnétiques Pt/Co/Mg1.2+Ox Nat. Han=20 kOe Pt/Co/Al1.6+Ox(35s) Han=16 kOe Pt/Co/Pt30 Han=6 kOe 800 emu/cm3 175 emu/cm3 Pt/Co/Al1.6+Ox(60s) • Réabsorption O du Co vers l’interface • Lee et al., JAP 94, 7778 (2003) • Migration O de la barrière vers l’interface A. Manchon et al., arXiv:0709.2581, soumis à JMMM+JAP Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  15. t<25s t<40s t<60s II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel E.2 Influence du recuit Avant recuit Après recuit@400°C Diffusion de l’O AlOx interface + Augmentation de l’AMP Ox Al Al Al Co Réabsorption de l’O CoO interface Bae et al., APL 80, 1168 (2002) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  16. Propriétés du transport de spin dans JTM Transfert de spin? II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel F. Conclusion • Oxydation optimale Co/MOx =100% de liaisons Co-O (M=Al, Mg,Ta,Ru,Cr) • anisotropie magnétique perpendiculaire • Corrélation Oxydation/Anisotropie • contrôle aisé de l’oxydation • Influence température de recuit • augmenter significativement l’AMP • Calculs Ab-initio en cours hybridations à l’origine de l’AMP • Mesures XMCD en cours moments magnétique et orbitale du Co Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  17. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  18. Transfert de spin Slonczewski Champ effectif III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique A. Transfert de spin Barrière tunnel M P Origines: réflexion dépendante de spin (rotation du spin) + précession du spin autour de l ’aimantation locale (Stiles et al. PRB 66, 014407 (2002)) Couple de la densité de spin transverse sur l ’aimantation locale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  19. III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique B. Modèle d’électrons libres (dispersion parabolique)A. Manchon et al, JPCM 19, 165212 (2007) • Hypothèses: • Balistique (pas de relaxation de l’accumulation de spin) • WKB (faibles tensions) • Pas d’émission d’ondes de spin • Jonction symétrique Densité de spin transverse: Formulation de Keldysh: Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  20. z f y x h III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique C. Description microscopique Barrière tunnel P M z y x Filtre en incidence + Filtre à spin Terme de champ effectif Dans une JTM, le terme de champ effectif n’est plus négligeable Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  21. III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique D.1 Description macroscopique Jonction tunnel magnétique Co/Al2O3/Co Vanne de spin métallique Co/Cu/Co ajsinq(Oe) ajsinq(Oe) bjsinq(Oe) Vanne de spin métallique profil de potentiel = accumulation de spin longitudinal Jonction tunnel magnétique profil de potentiel = barrière tunnel Dépendance angulaire en sinus A. Manchon et al, JPCM 19, 165212 (2007) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  22. III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique D.2 Description macroscopique – dépendance en tension Hypothèse: absorption complète du courant de spin (STT interfacial) aj=a1V+a2V2 bj=b0+b2V2 • Manchon et al., arXiv:0712.0055, soumis à JPCM • I. Theodonis et al., PRL 97, 237205 (2006) Kubota et al. Nature 2007 Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  23. III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique G. Conclusion • Deux sources : réflexion/transmission + précession du spin • Filtre en incidence + Filtre à spin champ effectif non négligeable dans les JTM • Rôle mineur de l’accumulation de spin: dépendance angulaire en sinus • Dépendance en tension du transfert de spin semble confirmée par les expériences Détermination expérimentale simple des préfacteurs aj et bj ? Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  24. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  25. IV. Évaluation des composantes du transfert de spin • Description des jonctions à base de MgO Jonctions tunnel magnétiques à base de CoFeB/MgO/CoFeB Résistance en fonction du champ appliqué (longitudinal) H V Couche libre MgO Couche de référence Couche piégée IrMn Résistance en fonction de la tension appliquée Objectif: Amplitude et dépendance en tension du transfert de spin (aj, bj ?) Réalisation de diagrammes de phase statiques pour un champ appliqué selon l’axe facile (longitudinal) ou difficile (transverse) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  26. bj=0 bj=b2V2 Champ effectif E D IV. Évaluation des composantes du transfert de spin B. Diagramme de phase longitudinal A=60*140 nm², TMR=100%, RP=3 kW Tensions critiques@ 0K Activation thermique Koch et al. PRL 92, 088302 (2004) Paramètres estimés: Han~100 Oe, Hd=10 000 Oe a1~20 Oe/V, b2~40 Oe/V2 (champ d’Oersted~15 Oe) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  27. bj=0 bj=b2V2 IV. Évaluation des composantes du transfert de spin C. Diagramme de phase transverse A=40*90 nm², TMR=80%, RP=5 kW Tensions critiques @0K Activation thermique Paramètres estimés: Han=80 Oe, Hd=10 000 Oe a1~50 Oe/V, b2~15 Oe/V2 Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  28. III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique D. Conclusion • Réalisation de diagrammes de phase statiques complets • Diagrammes de phase statique thermiquement activés • Estimation des 2 composantes du STT • aj=aV+o(V) et bj=bV²+o(V²) • Première mesure des deux composantes du STT à partir de diagrammes de stabilités • Cohérent avec la théorie Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  29. Plan de la présentation • Contexte scientifique et problématiques • Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel • Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique • Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin • Conclusion générale Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  30. V. Conclusion générale • Analyse de l’influence de l’oxygène sur l’état magnétique de l’électrode ferromagnétique sous-jacente • Rôle prédominant de l’oxygène sur l’anisotropie • Influence du recuit • Détermination des spécificités du transfert de spin dans les JTM • Importance et Origine du terme de champ effectif • Dépendance angulaire • Dépendance en tension • Rôle des impuretés • Observation et quantification du transfert de spin dans les JTM • Réalisation de diagrammes de stabilité longitudinaux et transverses complets • Détermination des lignes critiques • Mesure des deux composantes du transfert de spin Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  31. V. Perspectives Pt/Co/MOx: - Analyse du moment magnétique - Calculs de structures électroniques - Comparaison de différents oxydes, amorphes et cristallisés Théorie du transfert de spin: - Rôle des magnons - Influence de la structure de bandes (MgO) - Effet de couplage entre dynamique d’aimantation inhomogène et transport à l’interface F/I Observation du transfert de spin dans les JTM: - Analyse des excitations sous champ transverse - Transfert de spin en fonction de l ’épaisseur de la couche libre - Effet combiné Température-STT Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  32. Et tant d’autres encore… Dimitri Lucien Lucian Mourad Claire (la mienne) Nico Bernard D. Pierre-Jean Seb Rachel Nikita Bernard R. Claire Ba. Alain Christophe Claire Bo. Kate Clarisse Nico Ahmad Daria Momo Jan Stefania Michael Ricardo Jérôme FV Gilles Jérôme M. Mair Vojtech Mihai Anatoly Vincent Brian Ursula Natalya Giancarlo Medhi Virgile Baptiste Merci ! ! Et pour les nombreuses discussions si stimulantes: John Slonczewski, Marc Stiles, Albert Fert, Louis Berger, Evgeny Tsymbal, André Thiaville, Frédéric Piéchon, Andrei Slavin, Claudine Lacroix, Johnatan Sun, Claude Chappert, Ioannis Theodonis, Gen Tatara, Bill Butler, Jean-Louis Basdevant, Henri-Jean Drouhin, Jean-Eric Wegrowe, Emmanuel Rosencher, Grégoire Casalis… Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  33. Influence du recuit Champ de nucléation Anisotropie magnétique perpendiculaire Al O Co Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  34. Rôle de l’interface Pt/Co? Pt/Co/Mg+Ox Pt/Co/Al+Ox(35s) Diminution de l’anisotropie attribuée au mélange Co-Pt Pt/Co/Pt Pt/Co/Al+Ox(60s) Après recuit @300°C Han Max Après recuit @450°C Han identiques Rigidification de Pt/Co par Co/AlOx? Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  35. bj peut-il être linéaire? linéaire quadratique Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  36. Dépendance angulaire des préfacteurs normalisés Jonction tunnel magnétique Co/Al2O3/Co Vanne de spin métallique Co/Cu/Co Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  37. Introduction d’impuretés dans la barrière Technique des perturbations hors équilibre de Keldysh • Hypothèses: • Plan d’impuretés • Distribution aléatoire • Faible concentration (couplage négligeable) • Etudes et résultats précédents: • Inversion de la TMR (conductivité plus importante dans l’état AP que dans l’état P) • Tsymbal et al., PRL 90, 186602 (2003), Garcia et al. PRL 97, 246802 (2006) • Inversion du couplage d’échange intercouche (tension nulle) Zhuravlev et al. PRL 94, 026806 (2005) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  38. Introduction d’impuretés dans la barrière Plan d’impuretés inséré au centre de la barrière, c=3%, d=0.6 nm et U-EF=3.3 eV Dépendance en tension qualitativement modifiée Modification drastique de l’amplitude Couplage entre l’impureté métallique et les électrodes ferromagnétiques (champ magnétique induit) Sélection de la projection de spin par l ’impureté (filtre à spin) Possibilité d ’augmenter substantiellement le STT ou de l’inverser Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  39. Transfert de spin dans une vanne de spin métallique Transfert de spin de l’état AP vers P J Transfert de spin de l’état P vers AP J Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  40. Spectroscopie d’absorption Spectres XAS aux seuils L2,3 du Co Temps courts: Co seul (CoO indétectable) Temps intermédiaires: légère contribution de CoO Temps long: Importante contribution de CoO Dérivées des spectres XAS aux seuils L2,3 du Co Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  41. Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

  42. Transport polarisé en spin dans un ferromagnétique Métaux ferromagnétiques usuels: bandes de conduction relativement complexe Modèle simpliste: - les électrons itinérants (s) - les électrons localisés (d) Électrons s Électrons d Forte localisation des électrons d aimantation spontanée Faible localisation des électrons s courant électrique EF Couplage s-d courant polarisé conductivité différente des canaux de spin majoritaires et minoritaires Diffusion dépendante du spin Magnétorésistance géante Co Cu Co Etat parallèle: résistance faible Etat antiparallèle: résistance forte Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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