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Aurélien MANCHON 11 décembre 2007 1/31 M AGNETORESISTANCE ET T RANSFERT DE S PIN DANS LES J ONCTIONS T UNNEL M AGNETIQUES Aurélien Manchon Directeur de.

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1 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 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

2 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 SPINtronique et TEchnologie des Composants « Un pont entre la recherche fondamentale et les applications technologiques » Matériaux fonctionnels Théorie du transport Caractérisations du transport Enregistrement magnétique, MRAM, micro-magnétisme, matériaux fonctionnels, effet Hall extraordinaire, injection de spin dans le silicium, transfert de spin… B. RodmacqC. DucruetS. Auffret J. VogelS. Pizzini G. PanaccioneM. Hochstrasser M. ChschievD. Gusakova A. Vedyayev N. Ryzhanova B. Dieny K.-J. Lee C. Baraduc S. Petit U. Ebels C. Thirion

3 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

4 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

5 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 A. Jonctions tunnel magnétiques I. Contexte et problématiques Transport déterminé par les densités détats aux interfaces et par la nature de la barrière Contrôle de loxydation de la barrière et des interfaces Couche libre Al 2 O 3, MgO… IrMn, FeMn, SAF Couche piégée J H Modèle de Jullière (règle dor de Fermi): Modèle limité aux barrières dalumine, amorphes, transport délectrons s-d itinérants Jonctions réelles: influence de la barrière (hauteur et épaisseur), influence des impuretés, des magnons, symétries cristallines (MgO), etc… d~10 µm-100 nm AlOx: TMR = 20-70% MgO: TMR = % Vanne de spin métallique: GMR = quelques %

6 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 B. Transfert de spin I. Contexte et problématiques Contrôle des aimantations par courant polarisé Huai et al. Appl. Phys. Lett. 84, 3118 (2004) Électrons localisés Aimantation locale Électrons itinérants Aimantation hors équilibre Couple = polarisation Électrons localisés Aimantation locale Électrons itinérants Aimantation hors équilibre Couple = transfert de spin Renversement & Excitations R ( ) H (Oe)I (mA) Première observation dans les vannes de spin métalliques (1998), puis JTM (2004!) A. Manchon et al., PRB 73, (2006); PRB 73, (2006) A. Manchon et al., JMMM 316, e977 (2007)

7 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Applications potentielles du transfert de spin dans les jonctions tunnel magnétiques: MRAM, têtes de lectures, oscillateurs RF C. Problématique et objectifs I. Contexte et problématiques Deux objectifs majeurs: -Réalisation de JTMs avec une TMR maximale et une résistance faible -Réduction du courant critique de renversement daimantation Aspects fondamentaux: -Influence de la structure atomique sur le transport tunnel (symétries et rôle de loxygène) -Spécificités du transfert de spin dans les jonctions tunnel magnétiques Objectifs de la thèse : -Compréhension du rôle de loxygène dans loptimisation des barrières tunnel -Décrire le transfert de spin dans les JTMs

8 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

9 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel A. Effets dinterface sur Co/AlOx Influence de loxygène sur le transport 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 Ox Courant dans le plan Max danisotropie perpendiculaire Max de réflexion spéculaire Al Co Pt Al Co Cu IrMn

10 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Ox plasma Effet Hall extraordinaire (EHE): H Anisotropie oxygène interfacial II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel B. Propriétés magnétiques Al (1.6 nm) Co (0.6 nm) Pt (3 nm) Même comportement pour M=Mg, Ta, Ru Ox. Naturelle mbar

11 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Combinaison de 2 techniques complémentaires Niveaux de coeur (2p, 3p…) Niveau de Fermi E Spectroscopie de photoémission (XPS) (h > E) Spectroscopie dabsorption (XAS) (h < E) e-e- e-e- XAS: composition chimique moyennée sur le volume de la couche sondée XPS: composition chimique limitée à la première monocouche sondée II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel C.1 Spectroscopie de rayons X

12 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Spectres XPS des niveaux 2p du Co Co pur CoO pur II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel C.2 Spectroscopie de photo émission Maximum dAMP Interface Co/AlOx pratiquement oxydée à 100% Co-Al & Co-Co Co-O Ox Co-Al & Co-Co Co Al Bae et al., APL 80, 1168 (2002) Oxydation par les joints de grains A. Manchon et al., accepté à JAP

13 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel Co 3d O 2p Transfert de charge Co 3d- O 2pCouplage Co 3d- O 2p D. Influence de loxygène lanisotropie magnétique Interface + Oxygène: orbitales d levée de dégénérescence (champ cristallin, 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 doxygène à linterface Champ cristallin

14 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel E.1 Influence du recuit - Migration O de la barrière vers linterface Importance du recuit dans la réalisation de jonctions tunnel magnétiques Pt/Co/Mg 1.2 +Ox Nat. Han=20 kOe Pt/Co/Al 1.6 +Ox(35s) Han=16 kOe Pt/Co/Al 1.6 +Ox(60s) Pt/Co/Pt 30 Han=6 kOe 175 emu/cm emu/cm 3 -Réabsorption O du Co vers linterface Lee et al., JAP 94, 7778 (2003) A. Manchon et al., arXiv: , soumis à JMMM+JAP

15 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel E.2 Influence du recuit Avant recuitAprès Diffusion de lO AlOx interface + Augmentation de lAMP Réabsorption de lO CoO interface t<40s t<25s t<60s Ox Co Al Bae et al., APL 80, 1168 (2002)

16 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Oxydation optimale Co/MOx =100% de liaisons Co-O (M=Al, Mg,Ta,Ru,Cr) anisotropie magnétique perpendiculaire Corrélation Oxydation/Anisotropie contrôle aisé de loxydation Influence température de recuit augmenter significativement lAMP Calculs Ab-initio en cours hybridations à lorigine de lAMP Mesures XMCD en cours moments magnétique et orbitale du Co II. Contrôle de loxydation dune barrière tunnel F. Conclusion Propriétés du transport de spin dans JTMTransfert de spin?

17 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

18 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique A. Transfert de spin Origines: réflexion dépendante de spin (rotation du spin) + précession du spin autour de l aimantation locale (Stiles et al. PRB 66, (2002)) Couple de la densité de spin transverse sur l aimantation locale Champ effectif Transfert de spin Slonczewski Barrière tunnel M P

19 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 B. Modèle délectrons libres (dispersion parabolique) A. Manchon et al, JPCM 19, (2007) Densité de spin transverse: Formulation de Keldysh: III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique Hypothèses: - Balistique (pas de relaxation de laccumulation de spin) - WKB (faibles tensions) - Pas démission dondes de spin - Jonction symétrique

20 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 C. Description microscopique III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique Filtre en incidence + Filtre à spin Terme de champ effectif Dans une JTM, le terme de champ effectif nest plus négligeable M P Barrière tunnel x y z x y z

21 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Vanne de spin métalliqueprofil de potentiel = accumulation de spin longitudinal Jonction tunnel magnétiqueprofil de potentiel = barrière tunnel Dépendance angulaire en sinus D.1 Description macroscopique III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique Jonction tunnel magnétique Co/Al 2 O 3 /Co Vanne de spin métallique Co/Cu/Co a j sin (Oe) b j sin (Oe) A. Manchon et al, JPCM 19, (2007)

22 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 a j =a 1 V+a 2 V 2 b j =b 0 +b 2 V 2 D.2 Description macroscopique – dépendance en tension III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique Hypothèse: absorption complète du courant de spin (STT interfacial) Kubota et al. Nature 2007 A.Manchon et al., arXiv: , soumis à JPCM I. Theodonis et al., PRL 97, (2006)

23 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Deux sources : réflexion/transmission + précession du spin Filtre en incidence + Filtre à spinchamp effectif non négligeable dans les JTM Rôle mineur de laccumulation de spin: dépendance angulaire en sinus Dépendance en tension du transfert de spin semble confirmée par les expériences G. Conclusion III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique Détermination expérimentale simple des préfacteurs a j et b j ?

24 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

25 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 IV. Évaluation des composantes du transfert de spin A.Description des jonctions à base de MgO Jonctions tunnel magnétiques à base de CoFeB/MgO/CoFeB Résistance en fonction du champ appliqué (longitudinal) Résistance en fonction de la tension appliquée Objectif: Amplitude et dépendance en tension du transfert de spin (a j, b j ?) Réalisation de diagrammes de phase statiques pour un champ appliqué selon laxe facile (longitudinal) ou difficile (transverse) Couche libre MgO IrMn Couche de référence V H Couche piégée

26 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 b j =b 2 V 2 b j =0 B. Diagramme de phase longitudinal IV. Évaluation des composantes du transfert de spin A=60*140 nm², TMR=100%, R P =3 k Activation thermique D Paramètres estimés: H an ~100 Oe, H d = Oe a 1 ~20 Oe/V, b 2 ~40 Oe/V 2 (champ dOersted~15 Oe) Koch et al. PRL 92, (2004) Champ effectif Tensions 0K

27 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 C. Diagramme de phase transverse Tensions IV. Évaluation des composantes du transfert de spin A=40*90 nm², TMR=80%, R P =5 k Paramètres estimés: H an =80 Oe, H d = Oe a 1 ~50 Oe/V, b 2 ~15 Oe/V 2 Activation thermique b j =0 b j =b 2 V 2

28 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Réalisation de diagrammes de phase statiques complets Diagrammes de phase statique thermiquement activés Estimation des 2 composantes du STT a j =aV+o(V) et b j =bV²+o(V²) Première mesure des deux composantes du STT à partir de diagrammes de stabilités Cohérent avec la théorie D. Conclusion III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique

29 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Plan de la présentation I.Contexte scientifique et problématiques II.Contrôle de loxydation dune barrière tunnel III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique IV.Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin V.Conclusion générale

30 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 -Analyse de linfluence de loxygène sur létat magnétique de lélectrode ferromagnétique sous-jacente -Rôle prédominant de loxygène sur lanisotropie -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 V. Conclusion générale

31 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 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 daimantation inhomogène et transport à linterface 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 V. Perspectives

32 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 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… Bernard D. Clarisse Claire Ba. Seb Ursula Stefania Jan VojtechMihai Vincent Christophe Nico Pierre-Jean Alain Kate Claire Bo. Rachel Momo Jérôme FV Jérôme M. Giancarlo Michael Anatoly Mair Natalya Nikita Daria Claire (la mienne) Nico Bernard R. Gilles Brian Ahmad Medhi Virgile Mourad Ricardo Lucian Baptiste DimitriLucien Et tant dautres encore…

33 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Influence du recuit Champ de nucléation Anisotropie magnétique perpendiculaire Al O Co

34 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Rôle de linterface Pt/Co? Pt/Co/Mg+Ox Pt/Co/Al+Ox(35s) Pt/Co/Al+Ox(60s) Pt/Co/Pt Diminution de lanisotropie attribuée au mélange Co-Pt Après an identiques Après an Max Rigidification de Pt/Co par Co/AlOx?

35 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 b j peut-il être linéaire? linéaire quadratique

36 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Dépendance angulaire des préfacteurs normalisés Jonction tunnel magnétique Co/Al 2 O 3 /Co Vanne de spin métallique Co/Cu/Co

37 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Introduction dimpuretés dans la barrière Technique des perturbations hors équilibre de Keldysh Hypothèses: -Plan dimpuretés -Distribution aléatoire -Faible concentration (couplage négligeable) Etudes et résultats précédents: -Inversion de la TMR (conductivité plus importante dans létat AP que dans létat P) Tsymbal et al., PRL 90, (2003), Garcia et al. PRL 97, (2006) -Inversion du couplage déchange intercouche (tension nulle) Zhuravlev et al. PRL 94, (2005)

38 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Couplage entre limpureté 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 linverser Dépendance en tension qualitativement modifiée Modification drastique de lamplitude Plan dimpuretés inséré au centre de la barrière, c=3%, d=0.6 nm et U-E F =3.3 eV Introduction dimpuretés dans la barrière

39 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Transfert de spin de létat AP vers P Transfert de spin de létat P vers AP Transfert de spin dans une vanne de spin métallique J J

40 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Spectres XAS aux seuils L 2,3 du Co Dérivées des spectres XAS aux seuils L 2,3 du Co Temps courts: Co seul (CoO indétectable) Temps intermédiaires: légère contribution de CoO Temps long: Importante contribution de CoO Spectroscopie dabsorption

41 Aurélien MANCHON 11 décembre /31

42 Aurélien MANCHON 11 décembre /31 Transport polarisé en spin dans un ferromagnétique Modèle simpliste: - les électrons itinérants (s) - les électrons localisés (d) Métaux ferromagnétiques usuels: bandes de conduction relativement complexe Électrons s Électrons d EFEF Forte localisation des électrons d aimantation spontanée Faible localisation des électrons s courant électrique Couplage s-d courant polarisé conductivité différente des canaux de spin majoritaires et minoritaires CoCuCo Diffusion dépendante du spinMagnétorésistance géante Etat parallèle: résistance faible Etat antiparallèle: résistance forte


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