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La magnétorésistance géante

La magnétorésistance géante. Histoire d’une découverte . 1988. A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique 2007. P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007. Fe. Cr. Fe. Ta (50 Å ) . Ru (50 Å) . IrMn (60 Å). NiFe (20 Å). Al 2 O 3 (9 Å). CoFe (20 Å). Ru (8 Å). CoFe (20 Å).

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Presentation Transcript

  1. La magnétorésistance géante Histoire d’une découverte 1988 A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique 2007 P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007 Fe Cr Fe

  2. Ta (50 Å) Ru (50 Å) IrMn (60Å) NiFe (20Å) Al2O3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) CoFe (20 Å) PtMn (200 Å) Ta (100 Å) Histoire d’une découverte et de ses applications de la magnétorésistance géante (GMR) à l’électronique de spin Capteur GMR dans une tête de lecture de disque dur 1997 spintronique Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008 F. Hippert Professeur à Phelma

  3. et un moment cinétique intrinsèque SPIN Origine quantique W. Pauli 1900-1958 Prix Nobel de Physique 1945 P. Dirac 1902-1984 Prix Nobel de Physique 1933 Deux états possibles de la composanteselon un axe Oz ou up down e e L’électron a une charge électrique (-e avec e >0) J. J. Thomson 1856-1940 Prix Nobel de Physique 1906 z Cours de Physique Quantique Au moment cinétique est associé un moment magnétique qui lui est proportionnel

  4. En électronique conventionnelle la charge est manipulée par des champs électriques Le spin de l’électron est ignoré L’électronique de spin manipule la charge et le spin des matériaux particuliers

  5. Partie 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  6. 1-1 : Notions de transport électronique Cristal imparfait : impureté Cristal imparfait : vibration atomique Conduction dans un métal en ignorant le spin Cristal parfait Collision élastique sur l’impureté Cu = un cristal d’ions Cu+ et des électrons “libres” délocalisés Collision due aux vibrations atomiques

  7. 1-1 : Notions de transport électronique Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion Conduction dans un métal en ignorant le spin l Cu v0 = 1.6 106 m.s-1 à 4 K  = 2 10-9 s l = 3.2 mm à 300 K  = 2.7 10-14 s l = 43 nm

  8. 1-1 : Notions de transport électronique En présence d’un champ électrique : vitesse moyenne non nulle La charge de l’électron est -e avec e >0 Conduction dans un métal en ignorant le spin En l’absence de champ électrique : vitesse moyenne nulle

  9. 1-1 : Notions de transport électronique j j  résistivité σconductivité S L Conduction dans un métal en ignorant le spin n: nombre d’électrons « libres » participant au transport Densité de courant A.m-2

  10. 1-1 : Notions de transport électronique ou e e e e Mott (1936) : Modèle à deux courants Conduction dans un métal en tenant compte du spin Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip) N. Mott 1905-1996 Prix Nobel de Physique 1977 se produisent au bout d’un temps Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment idée

  11. 1-1 : Notions de transport électronique Cas du cuivre Cas du fer j = j j> j j j j j e e e e Conséquences du modèle à deux courants Preuve expérimentale : Thèse A. Fert (I. Campbell) Orsay 1970 On peut ignorer le spin On ne peut pas ignorer le spin

  12. 1-1 : Notions de transport électronique I >I j> j I I Conséquences du modèle à deux courants pour la conduction dans le fer

  13. 1-1 : Notions de transport électronique Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ? Le fer est un métal ferromagnétique

  14. 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  15. 1-2 : Notions de magnétisme at M = N at Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ? - Il existe des atomes porteurs d’un moment magnétique - En dessous d’une température critique Tc , en champ appliqué nul, tous les moments sont parallèles Existence d’un moment macroscopique spontané ferromagnétisme

  16. 1-2 : Notions de magnétisme at 0.287 nm Tc = 1043 K à 300 Kat= 2mB par atome de Fer Structure du fer B = 9.274 10-24 A.m2 Le fer : un exemple de métal ferromagnétique Les électrons s sont “libres”. Responsables du caractère métallique Fer : [Ar] 4s2 3d6 Les électrons d restent localisés. Responsables de l’existence du moment magnétique localisé sur chaque atome de fer Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe80Ni20 (permalloy), Co

  17. 1-2 : Notions de magnétisme anti parallèle à parallèle à e e M M Conduction dans un métal ferromagnétique (Fe, Ni, Co) Les électrons s conduisent le courant électrique Leur sens up oudown est défini par leur orientation par rapport au moment ferromagnétique down up

  18. 1-2 : Notions de magnétisme Induction magnétique B : ordre de grandeur En laboratoire on saitproduire B de 0 à 20 T Champ terrestre 5 10-5 T 1Gauss = 10-4 Tesla Champ lu par une tête de lecture d’un disque dur :  0.01 T Champ créé par une tête d’écriture d’un disque dur : < 1 T

  19. 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  20. 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte Le fait que la résistance dépende du champ appliqué Avant 1988 : dans les matériaux ferromagnétiques « massifs » Phénomène de magnétorésistance anisotrope   (AMR)   Qu’est ce que la magnétorésistance ? 1988 : découverte indépendante et simultanée à Orsay et à Jülich d’un effet de magnétorésistance géante (GMR)

  21. 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 2075 citations GMR V I Cr métal non magnétique 0.9 nm Bicouche répétée 60 fois Fe métal ferromagnétique 3 nm Epaisseur totale : 230 nm

  22. 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte T = 4.2 K Bs= 2 T 1988 A. Fert T = 4.2 K Bs 10 kG= 1 T Magnetic field (kG) B < - Bs B = 0 B > Bs Etat anti parallèle Etat parallèle Etat parallèle

  23. 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 667 citations Brevet Avril 1988 Cr 1 nm Tricouche Fe 1.2 nm Epaisseur : 3.2 nm

  24. 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  25. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Quels ingrédients nécessaires ? alternance de couches demétal ferromagnétiqueet demétal normal Fe/ Cr Co/ Cr Ni80Fe20 /Ag Dans le métal ferromagnétique : Une multicouche : Epaisseur totale <<

  26. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Un couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives tel que en champ nul Quels ingrédients nécessaires ? Etat antiparallèle de la multicouche Sous champ B > Bs Comment choisir les matériaux , les épaisseurs ? Quelle influence des interfaces ? Etat parallèle de la multicouche B

  27. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR e e e e I=I I>I Transport dans une multicouche e e e Etat anti parallèle de la multicouche Etat parallèle de la multicouche eetedéfinis par rapport au moment de la premièrecouche traversée

  28. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR e e Calcul de la GMR e e a: asymétrie de spin propriété du ferromagnétique + INTERFACES

  29. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Pourquoi en champ nul ? 1986 P. Grünberg 711 citations

  30. 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Le signe de J dépend de l’épaisseur du métal normal Pour le Cr J< 0 pour 0.9 nm J> 0 pour 2 nm Il existe une énergie de couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successivesvia la couche métallique non magnétique M2 M2 Si J >0, en champ nul M1 M1 Si J >0, sous champ B Contrôle des épaisseurs

  31. 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  32. 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Pour exploiter cette différence de résistivité dans une multicouche Il faut que les épaisseurs des couches < quelques nm 1 nm Cr = 3 couches atomiques 1/ la possibilité de réaliser les multicouches avec des interfaces de qualité suffisante 1988 2/ l’existence du couplage d’échange connue P. Grünberg 1986 Pourquoi 1988 à Orsay ? Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique

  33. 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Techniques de dépôt sous ultra-vide couche par couche machine d’épitaxie à jet moléculaire En 1988 une machine d’épitaxie existait au laboratoire central de Thomson

  34. Le premier enseignement que je tire de l’aventure est que les avancées technologiques ont en général des racines très anciennes en recherche fondamentale. La magnétorésistance géante et l’électronique de spin ne sont pas nées par génération spontanée en 1988. Dans les années 30, le prix Nobel de physique Sir NevillMott avait déjà proposé que le spin intervienne dans la conduction électrique. La confirmation expérimentale et le développement de modèles datent des années 1970 (Orsay (A. Fert / I. Campbell), Strasbourg, Eindhoven)........... Mais fabriquer des structures artificielles à l’échelle du nanomètre était impensable à l’époque. Le passage à la GMR et à l’électronique de spin est ensuite venu de la conjonction des idées de physique fondamentale que nous avions développées vers 1970 et des progrès des techniques d’élaboration de nanostructures au milieu des années 80. A. Fert en 2003 Médaille d’or du CNRS

  35. 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay La chance a été que les interfaces ajoutent une diffusion qui dépend du spin comme celle à l’intérieur de la couche de Fe A. Fert en 2008 Discours lors de la remise du Prix Nobel Pouvait on prévoir l’amplitude de l’effet GMR ? Oui et non Oui sur la base des travaux des années 1970 Mais on pouvait craindre que les défauts structuraux et la rugosité des interfaces ne détruisent le contraste entre  et  en introduisant par exemple des mécanismes qui « flippent » le spin

  36. 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : Qu’est ce que la magnétorésistance géante ? 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin

  37. 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin 1990 S.S.P. Parkin (IBM Almaden, USA) Dépôt par technique de pulvérisation (Fe/Cr, Co/Ru et Co/Cr) ça marche !!! Peut on obtenir un effet GMR important à température ambiante et dans un champ faible ? 1991 OUI !!! B. Dieny et al (IBM Almaden, USA) Vers les applications....... A. Fert / P. Grünberg 1988 Epitaxie à jet moléculaire Dépôt lent impossible à utiliser pour une production de masse

  38. 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin Vanne de spin 545 citations 1/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées Augmenter l’épaisseur de la couche de métal normal : Cu 2 nm 2/ Bloquer la direction de l’aimantation d’une des couches ferromagnétiques par interaction avec une sous-couche adaptée (antiferromagnétique)

  39. ou Changement d’état parallèle à anti parallèle en champ très faible RAP 20% RP 1Oe = 1G = 10-4 T Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) : son rôle est de bloquer l’aimantation de la couche ferromagnétique Couche ferromagnétique « piégée » Ni80Fe20 15 nm Couche métallique non magnétique (Cu 2 nm) Couche ferromagnétique libre Ni80Fe20 15 nm Dieny et al 1991

  40. La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte PAUSE 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin

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