CAPTEUR MAGNETIQUE ULTRASENSIBLE Caractérisation de jonctions tunnel magnétiques Maitre de stage : Claire Baraduc Romain Fons Filière Physique et Nanosciences Année 2014 – 2015 Petite intro: Capteur actuel trop massif 500g alors que le nouveau qqs gramme +cane moins lourde. Search-coil 150g / axe 1

SOMMAIRE 1. Fonctionnement du capteur 2. Expérimentation 3. Caractérisation selon l’axe facile d’aimantation 4. Caractérisation selon l’axe difficile d’aimantation 5. Conclusion 2

1. Fonctionnement du capteur Détection hétérodyne et mesure différentielle Trois composants clés: - Jonction Tunnel Magnétique (JTM) - Concentrateur de flux - Bobines de polarisation Commenter la figure: 3composants: JTM la ou se fait la mesure (voir plus tard) Concentrateur: Concentre le champ dans l'entrefer et x800 Bobines: expliqué détection hétérodyne et mesure diff avec les graphe! Souligné que la R(H) est la réponse de la JTM et est parabolique sans rentrer dans les détails! 3

Jonction Tunnel Magnétique Fonctionnement générale 2 électrodes ferromagnétiques 1 barrière isolante en MgO 2 configurations: Etat Parallèle : Faible résistance RP Etat Anti-Parallèle: Forte résistance RAP 𝑇𝑀𝑅= 𝑅 𝐴𝑃 − 𝑅 𝑃 𝑅 𝑃 D'abords expliqué electrode inf et sup séparé par un isolant Puis 2 états de résistance différente Puis TMR Et explication avec régle d'or de Fermi: La conductance est proportionnelle au prduit des densités d'états de part et d'autre de la barrière. La densité d'états dans un matériau férro est différente selon le Spin (plus grande pour les électrons de spin majoritaire) + conservation du spin lors du procees tunnel Et donc expliquer les 2 graphe de Stoner! Règle d’or de Fermi: 𝐺∝ 𝑛 1↓ 𝑛 2↓ + 𝑛 1↑ 𝑛 2↑ 4

Composition et forme des jonctions Electrode inférieure : PtMn 20/CoFe 2/Ru 0,8/CoFeB 2 Barrière isolante : MgO Electrode supérieure (couche libre) : CoFeB (épaisseur variable) AntiFerro Synthétique MgO Couche libre Antiferro Couche piégée Couche de référence Compo: elect inf: plusieures couches; SAF: 2 ferro: La 1er est la couche piégée par l'antiferro aimantation de la 2eme (couche de référence) en antiparralèle grace à l'épaisseur de Ru Avantage du SAF : meilleur piégeage de la couche de ref et effet des champs rayonné quasi faible Dispo: suivre le slide et bien parlé des surface en fonction du type Disposition Une JTM : 1, 2, 3 ou 4 jonctions en séries. 2 JTM par capteur 5

2. Expérimentation 6 Vue d’ensemble du dispositif Carte à pointe et contacts Mesures automatisées via un script Matlab® 12 pointes correspondant aux 12 contacts 6

Echantillons étudiés 7 Anciens lots étudiés avant mon stage Echantillons étudiés durant le stage Epaisseur couche libre (nm) Epaisseur couche libre (nm) Epaisseur couche libre (nm) 7

3. Caractérisation selon l’axe facile d’aimantation Aspect théorique Cette caractéristique nous donne: Les résistances RP et RAP permettant de trouver la TMR Le champ coercitif Hc Le champ d’échange Hex Caractéristiques expérimentales Bonne prédiction théorique pour les 1, 2 et 3JT Comportement non désiré pour les 4JT 8

Exploitation et interprétation Taux de Magnéto Résistance TMR Champ coercitif 𝐻 𝐶 𝐻 𝐶 diminue significativement avec l’épaisseur de couche libre dû au fait que: l’anisotropie diminue avec l’épaisseur la nucléation d’un domaine se produit avec moins d’énergie le retournement de l’aimantation est favorisé le champ coercitif baisse TMR plus faible pour les grande surface car plus grande proba de trouver des pinholes qui courcirquitent la jonction ce qui détérieore le signal 1JT : ≈ 50% 2JT : 35 % avec TMR > 100% 3JT : 55 % avec TMR > 100% 4JT : 81 % avec TMR > 100% 9 Conclusion: configuration optimale 2JT & 3JT

4. Caractérisation selon l’axe difficile d’aimantation Aspect théorique: Hypothèse macrospin : Echantillon monodomaine Pas d’interactions entre couches magnétiques Le champ de saturation suit: Comportement électrique: 𝐺= 1 2 𝐺 𝑃 + 𝐺 𝐴𝑃 + 𝐺 𝑃 − 𝐺 𝐴𝑃 cos 𝜃 Hs ≈ Ms.(Nx−Ny) MS l’aimantation de saturation, MS = 1000 kA. m-1 Nx et Ny les coefficients de forme de l’échantillon Hs se calcule par minimisation d'énergie de Zeeman et d'anisotropie (voir annex) La formule est valable pour un départ en Rmin, formule similaire à 2 signe prés pour le départ Rmax. Expliqué avec les mains les deux départ différents lorsque le H=Hs l'aimantation est a 90° (axe diff) Rotation cohérente de l’aimantation 10

Résultats expérimentaux Bonne prédiction théorique pour les 1, 2 et 3JT et pour une épaisseur 20nm. Bon cycle mais incomplet pour les 1JT et 2JT pour les épaisseur supérieures. Comportement non désiré pour toutes les 4JT. 11

Exploitation et interprétation 𝐻 𝑆 augmente avec l’épaisseur de couche libre. Modèle théorique en phase pour 20nm. Le modèle macrospin surestime 𝐻 𝑆 pour des épaisseurs plus élevées! Le capteur fonctionne selon l'axe difficile, le champ induit par les bobines de pola est centré sur l'axe diff d'aimanation Les champs mesuré seront faible donc il faut un champ de saturation faible le modèle surestime Hs pck domaines de bords entraine une anisotropie plus faible 12

5. Conclusion Quelle configuration est plus optimale pour les jonctions tunnels magnétiques? Paramètres testés: - Epaisseur de couche libre - Forme (surface) des jonctions Réponses : 1JT : Bonne prédiction mais TMR trop faible. 4JT: Comportement non désiré (toutes épaisseurs). 𝐻 𝑆 trop grand pour des grandes épaisseurs 20nm : Bonne prédiction Futurs échantillons Paramètres sujet à varier: Nature de l’antiferro de piégeage Epaisseur de couche de référence Composition de couche libre Forme des jonctions Ouverture: antiffero IrMn pour améliorer le piegeage Epaisseur couche ref pour avoir une bistabilité ou non Compo libre plus doux (CoFeB/NiFe) pour diminuer Hs Forme des JTM pour éviter la rota de la couche ref Meilleure configuration : Type 2JT & 20nm & TMR>100% 13

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