MAGNETORESISTANCE ET TRANSFERT DE SPIN DANS LES JONCTIONS TUNNEL MAGNETIQUES Aurélien Manchon Directeur de thèse: Bernard Rodmacq Correspondant CEA: Bernard Dieny Je vous remercie de votre présence aujourd’hui Je vais vous présenter mon travail de thèse, intitulé …, réalisé au sein du laboratoire SPINTEC sous la direction de B. R et de B. D. Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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… Matériaux fonctionnels Théorie du transport B. Rodmacq C. Ducruet S. Auffret M. Chschiev D. Gusakova A. Vedyayev N. Ryzhanova Caractérisations du transport J. Vogel S. Pizzini Avant d’entrer dans le vif du sujet, laissez-moi vous présenter le laboratoire SPINTEC. Laboratoire situé à la frontière Fondamental-Application La philosophie du laboratoire est de s’appuyer sur des phénomènes fondamentaux afin d’en faire émerger des applications A ce titre, il couvre un ensemble de sujets varié dans le domaine de l’électronique et de spin et du magnétisme Au cours de ma thèse j’ai eu l’occasion de travailler sur trois thèmes: matériaux, théorie et transport et donc l’opportunité de collaboration au sein du laboratoire mais aussi avec d’autres institutions B. Dieny U. Ebels C. Baraduc G. Panaccione M. Hochstrasser C. Thirion S. Petit K.-J. Lee Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Voici le plan de ma présentation Après avoir décrit le contexte général dans lequel s’inscrit cette thèse ainsi que les phénomènes fondamentaux auquels nous nous sommes intéressés, je développerai les trois aspects que je viens d’évoqué et enfin je proposerai une conclusion générale et les perspectives Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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

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… Couche piégée J 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 Une jonction tunnel magnétique est constituée de deux ferromagnétiques, séparés par une barrière tunnel. Une des couches est couplées à un antiferromagnétique (couche piégée) tandis que l’autre est laissée libre et peut être orientée par un champ extérieur Dans ce type de structure, la résistance dépend de l’orientation des aimantations: parallèle et antiparallèle. 1ère exp. De Jullière en 1975, propose une explication de ce phénomène. Il considère deux types d’électrons: majoritaire et minoritaire, le courant total est donc la somme de ces deux courants De plus, dans les structures tunnel, le courant est proportionnel au produit des densités d’état. Ainsi en fonction de l’orientation relative des aimantations, ce produit va être modifié + expl. Anim Et la TMR. En réalité, la description est plus complexe, mais on retiendra surtout que Pour obtenir des TMR importantes: oxydation barrière et interfaces. 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

I. Contexte et problématiques B. Transfert de spin Couple Électrons localisés Aimantation locale Électrons itinérants Aimantation hors équilibre = 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 On peut décrire un métal ferromagnétique selon un modèle simple dit s-d. d : localisés et aimantation local s : itinérant, courant électrique Lorsque les électrons s sont injectés, l’interaction avec les électrons d donne lieu à un courant de spin et aimantation hors équilibre Spin torque Transfert de spin: contrôle des aimantations par le courant 1ère observation en 2004 quelques mois après le début de la thèse État de résistance en fonction du champ Etat de résistance en fonction du courant 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

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 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 La réalisation du STT dans MTJ a un certain nombre d’applications Pour cela, deux objectifs majeurs poursuivi par les équipes de recherches Ces deux objectifs sont liés à des aspects fondamentaux Ainsi, l’objectif de la thèse a été double Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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

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 Co Max d’anisotropie perpendiculaire Pt Ox Al Co Max de réflexion spéculaire Cu IrMn Deux expériences de référence illustrent le rôle de l’oxydation Telling et collaborateurs ont réalisé des jonctions tunnel et ont fait varié le temps d’oxydation de la barrière. Pour chaque temps, ils mesurent la TMR et le moment magnétique du Co à l’interface. -> Observent un maximum commun Rodmacq et al. S’intéressent à une tricouche Pt/Co/AlOx et font varier le temps d’oxydation et mesurent l’anisotropie magnétique perpendiculaire et la TMR dans une jonction CIP. Max d’AMP correspond à Max de réflexion sans perte de spin. 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

H 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 Pour étudier l’état d’aimantation de la couche de Co sous l’influence de l’oxydation, Nous avons d’abord réalisé des mesures d’EHE Les cycles de résistance sont donnés sur la figure On distingue trois groupes: sous –oxydé, oxydé, sur-oxydé Pour les deux groupes extrêmes, l’aimantation ne possède pas de composante hors du plan et pour le groupe oxydé, cycle carré signifie que l’aimantation du Co est hors du plan, monodomaine. Même comportement pour M=Mg, Ta, Ru Anisotropie oxygène interfacial Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

e- e- 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…) Pour comprendre l’influence de l’oxydation sur l’anisotropie, nous avons réalisé des mesures de spectroscopie de rayons X au Synchrotron Elettra Deux types de mesures ont été utilisées: Absorption et photoémission 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

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 Bae et al., APL 80, 1168 (2002) Oxydation par les joints de grains Ox Co-Al & Co-Co Co Al Co-Al & Co-Co Co-O Co-O Pour une estimation plus précise de la composition chimique: XPS Evolution claire d’un spectre Co au CoO pur + description des pics en lien avec les schémas Nous avons pu estimer le taux d’oxyde présent près de l’interface par des ajustements gaussiens Conclusion A. Manchon et al., accepté à JAP Maximum d’AMP Interface Co/AlOx pratiquement oxydée à 100% Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Jusqu’à maintenant on connaissait le rôle de l’oxygène dans l’augmentation du moment orbital (sujet à controverse). Preuve du rôle de l’oxygène sur l’anisotropie. Rappel du principe d’hybridation: besoin de calculs précis Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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) Nous avons réalisé de nombreuses études afin de déterminer le champ d ‘anisotropie perpendiculaire ainsi que les états d’aimantation de la couche sous oxydation. Les résultats sont résumés sur la courbe. On constate que lorsque l’on varie la durée d’oxydation, un maximum d’anisotropie est atteint. De plus, quatre états d’aimantation peuvent être distingués Migration O de la barrière vers l’interface A. Manchon et al., arXiv:0709.2581, soumis à JMMM+JAP Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 t<40s t<25s t<60s Co Réabsorption de l’O CoO interface Résumé du comportement global Nous savons que le Max d’AMP est lié au Max de réflexion spéculaire, donc au max de TMR Bae et al., APL 80, 1168 (2002) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Propriétés du transport de spin dans JTM Transfert de spin? Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Après avoir démontré le rôle primordiale de l’oxydation pour la fabrication des JTM, nous nous sommes intéressé à un autre phénomène, lié au transport cette fois: le transfert de spin. Je procèderai en 2 étapes: d’abord la description à l’aide d’un modèle d’électrons libre, Puis la mesure sur des jonctions de MgO. Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique A. Transfert de spin Barrière tunnel P M 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 Transfert de spin Dans l’introduction, j’ai montré le principe du transfert de spin dans une vanne de spin métallique. Dans une jonction tunnel, le principe est équivalent et décrit par cette animation. On injecte un courant d’électrons de la gauche vers la droite. Ils sont tout d’abord polarisé selon l’aimantation de gauche En arrivant sur la barrière, il peuvent être 1) réflechis par la première interface (pas de torque) 2) Réflechi ou transmis par la seconde interface: durant la réflexion/transmission réorienté puis précession très rapide Dans l’introduction, j’ai expliqué qu’un courant d’électron dans un ferromagnétique donne lieu à un courant de spin et à une accumulation de spin. On peut montrer que l’accumulation de spin exerce un couple sur l’aimantation locale qui est équivalent à l’absorption du courant de spin transverse à l’aimantation locale. Ce couple intervient dans l’équation LLG et se décompose selon deux termes (dans le plan et hors du plan) Slonczewski Champ effectif Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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: Le modèle que nous utilisons est celui des électrons libres, dans le cadre de l’approximation s-d Nous faisons un ensemble d’hypothèses La densité de spin est définie comme la valeur moyenne de l’opérateur de spin Pour calculer cette densité (et toutes les quantités macroscopiques) nous utilisons la formulation de Keldysh: La jonction tunnel connecte deux réservoirs ferromagnétiques On doit donc considérer les électrons de spin majo et mino issus de droite et de gauche Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique C. Description microscopique Barrière tunnel P M z y f h x y z x Il est bien connu que dans les jonctions tunnel, seuls les électrons donc l’incidence est proche de la direction perpendiculaire à la barrière participent de manière importante au transport. Comme le montre cette figure. J’ai calculé aussi l’angle sous lequel le spin d’un électron, initialement majoritaire, est réfléchi par la barrière. En effet, quand un spin est réfléchi, sont spin forment un angle avec la plan des aimantations. Or, ces angles varient très fortement avec l’incidence de l’électron. Ce double filtrage (en spin et en courant) donne lieu à une composante de champ effective très importante. 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

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 Une des principales différences entre les jonctions tunnel et les vannes de spin métallique est la dépendance du STT en fonction de l’angle entre les aimantations La dépendance que nous obtenons est très proche d’un sinus l’IEC est du même ordre que le STT Slonczewski: caractère « électron unique » A. Manchon et al, JPCM 19, 165212 (2007) Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 La caractéristique la plus importante est celle de la dépendance en tension. Cette découverte illustre bien la dynamique actuelle du domaine. Nous avons été plusieurs à démontrer cette dépendance simultanément et quelques mois après cette démonstration, Sankey et al. Montrait la dépendance expérimentale. 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

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

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 Maintenant que nous avons montré les caractéristiques théoriques du transfert de spin, nous nous sommes intéressés à son observation dans les JTM Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Couche libre V 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) Les jonctions à base de MgO nous ont été fournies par Samsung, par l’intermédiaire de Kyung-Jin Lee. Elles sont constituées… Fig1: cycles de résistance en fonction du champ 1(a): tension négative: e- vont de référence à libre donc l’état parallèle est privilégié (réduction du champ de renversement parallèle) 1(b) tension positive: e- vont de libre à référence donc l’état antiparallèle est privilégié (réduction du champ de renversement antiparallèle) + excitations magnétiques Fig2: de manière équivalente, résistance en fonction de la tension L’objectif de cette étude est la détermination des caract. du STT. Réalisation de deux types de diagrammes Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

IV. Évaluation des composantes du transfert de spin B. Diagramme de phase longitudinal A=60*140 nm², TMR=100%, RP=3 kW bj=0 bj=b2V2 Tensions critiques@ 0K Activation thermique D E Champ effectif Description des quatre zones Formules analytiques à 0 K Activation thermique permet de reproduire fidèlement le diagramme avec une dépendance quadratique 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

IV. Évaluation des composantes du transfert de spin C. Diagramme de phase transverse A=40*90 nm², TMR=80%, RP=5 kW bj=0 bj=b2V2 Tensions critiques @0K Activation thermique Description des quatre zones Formules analytiques à 0 K Activation thermique permet de reproduire fidèlement le diagramme avec une dépendance quadratique Paramètres estimés: Han=80 Oe, Hd=10 000 Oe a1~50 Oe/V, b2~15 Oe/V2 Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 1ère mesure des deux composantes sans études RF ou de diagramme de phase avec impulsions de tension Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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

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

V. Perspectives Pt/Co/MOx: Théorie du transfert de spin: - 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

Merci ! ! Bernard D. Clarisse Claire Ba. Seb Ursula Stefania Jan Vojtech Mihai 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) Bernard R. Gilles Brian Ahmad Medhi Virgile Mourad Ricardo Lucian Baptiste Dimitri Lucien Et tant d’autres encore… 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

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

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

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

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

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) Pour terminer, nous nous sommes aussi intéressé au rôle des impuretés dans la barrière Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 La figure …montre le STT et l’IEC en fonction de l’énergie du puits de potentiel. On constate que pour une valeur précise de ce puits, on peut obtenir un renversement du signe du transfert de spin ainsi qu’un maximum (>0 ou <0). De même pour l’IEC. La dépendance en tension que nous obtenons n’est pas qualitativement modifée, mais il est possible d’obtenir ainsi des augmentations de l’ordre de 2 ordre de grandeurs Le phénomène de résonance par les impuretés peut être décrit de la manière suivante. Etat métalique (non magnétique) Couplage aux états magnétiques d’interface: deux niveaux pour up et down Le couplage et la position de ces deux niveaux dépend de la profondeur du puits Ainsi, ces impuretés constituent un filtre à spin. Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 On peut décrire un métal ferromagnétique selon un modèle simple dit s-d. d : localisés et aimantation local s : itinérant, courant électrique Lorsque les électrons s sont injectés, l’interaction avec les électrons d donne lieu à un courant de spin et aimantation hors équilibre Spin torque Transfert de spin: contrôle des aimantations par le courant 1ère observation en 2004 quelques mois après le début de la thèse État de résistance en fonction du champ Etat de résistance en fonction du courant J Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 Voici les spectres d’absorption aux seuils L2,3 du Co pour les trois groupes. Le Co et CoO sont donnés comme référence Je vais me concentré sur la dérivée du pic L3 qui donne une meilleure information sur la présence d’oxyde de Co. Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

Aurélien MANCHON 11 décembre 2007

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 EF Faible localisation des électrons s courant électrique 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