Dynamique de l'aimantation de nano-oscillateurs micro-ondes à transfert de spin

194 Pages·2017·8.36 MB·French

by  Dimitri Houssameddine

Dynamique de l’aimantation de nano-oscillateurs
micro-ondes à transfert de spin
Dimitri Houssameddine
To cite this version:
Dimitri Houssameddine. Dynamique de l’aimantation de nano-oscillateurs micro-ondes à transfert de
spin. Physique [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-
00466637￿
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https://theses.hal.science/tel-00466637
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UNIVERSITE GRENOBLE I – JOSEPH FOURIER

THESE

Présentée le 29 septembre 2009 par

Dimitri HOUSSAMEDDINE

Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE JOSPEH FOURIER

Spécialité : PHYSIQUE

Dynamique de l’aimantation de nano-oscillateurs
micro-ondes à transfert de spin

Composition du jury :

Françoise HIPPERT Président
Stéphane MANGIN Rapporteur
Thibaut DEVOLDER Rapporteur
Olivier KLEIN Examinateur
Pascal XAVIER Directeur de thèse
Ursula EBELS Co-directeur de thèse

Thèse préparée au laboratoire SPINTEC
UMR8191 CEA/CNRS/UJF

UNIVERSITE GRENOBLE I – JOSEPH FOURIER

THESE

Présentée le 29 septembre 2009 par

Dimitri HOUSSAMEDDINE

Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE JOSPEH FOURIER

Spécialité : PHYSIQUE

Dynamique de l’aimantation de nano-oscillateurs
micro-ondes à transfert de spin

Composition du jury :

Françoise HIPPERT Président
Stéphane MANGIN Rapporteur
Thibaut DEVOLDER Rapporteur
Olivier KLEIN Examinateur
Pascal XAVIER Directeur de thèse
Ursula EBELS Co-directeur de thèse

Thèse préparée au laboratoire SPINTEC
UMR8191 CEA/CNRS/UJF

Remerciements

Je tiens à remercier Pascal Xavier et Ursula Ebels de m’avoir encadré durant ces trois années de
thèse. Merci Pascal pour ta disponibilité et pour les discussions qui nous ont permis d’avoir un regard
extérieur sur nos travaux. Merci Ursula pour ta gentillesse, ton dynamisme et le soutien que tu m’as
apporté. Tu as toujours pris le temps de discuter des résultats et de répondre à mes questions et je t’en
remercie. Merci également pour la confiance que tu m’as accordé en me donnant l’opportunité de
présenter nos travaux à de nombreuses conférences. Ta rigueur scientifique et ton implication dans les
projets que tu mènes sont exemplaires.
Merci à Stéphane Mangin et Thibaut Devolder d’avoir accepté d’être rapporteurs de ce
manuscrit et pour la lecture attentive qu’ils en ont faite. Merci également à Françoise Hippert et
Olivier Klein pour l’intérêt qu’ils ont porté à mes travaux.
Je voudrais ensuite remercier l’ensemble du laboratoire Spintec pour son accueil chaleureux.
Merci à tous ceux qui, par l’organisation de sorties, concours, pots, barbecues ou toute autre activité,
contribuent à rendre l’ambiance du labo si agréable et conviviale. Je voudrais sincèrement remercier
l’ensemble des personnes avec lesquelles j’ai pris plaisir à travailler au quotidien et qui m’ont
beaucoup apporté. Merci à Liliana, Ioana, Daria et Helga pour leurs simulations indispensables lorsque
l’intuition ne suffit plus. Merci également à Bernard Rodmacq dont l’expertise matériaux a permis de
réaliser ces jolis échantillons à polariseur perpendiculaire. Enfin, je voudrais remercier mes collègues
de manip, Juan et Michael, et je leur souhaite une grande réussite dans la suite de leurs travaux.
Un grand merci à toute l’équipe du LETI avec qui j’ai eu plaisir à travailler durant cette thèse.
Merci Marie-Claire, Bertrand, Jean-Philippe, Bernard et Olivier. Merci à tous pour votre gentillesse,
sans votre aide précieuse rien de tout ceci n’aurait été possible. Merci également à Pierre, Jérôme et
Patrick de nous avoir donné accès à leurs outils de caractérisation et nous avoir montré à quoi
ressemblait un ‘vrai’ oscillateur.
Merci à Jordan Katine, Daniele Mauri, Sylvia Florez, Ozhan Ozatay, Liesl Folks et Bruce Terris
d’Hitachi GST pour la collaboration sur les oscillateurs à jonction tunnel. Mesurer des échantillons
d’une telle qualité aura été une tâche presque trop facile…
Un merci collectif à tous les post-docs, thésards, stagiaires et autres amis que j’ai eu autant de
plaisir à côtoyer au labo qu’à l’extérieur. Merci Keke Le Guerrier (grimpeur devant l’éternel), Lucien
(partenaire de Shannon), Cha (miam, le gâteau), Julien (organisateur d’événements en tout genre),
Djé-Djé (la classe la chemise !!!), Erwan (il paraît qu’il sait faire des roulades), Olivier (l’homme
caméléon), Sönke et Julia (vielen Dank!). Merci également à la squash-team et à toutes les personnes
que j’ai oubliées et qui se reconnaîtront…
Un immense merci à Maman et Leila qui, en plus de leur soutien inconditionnel, se sont
avérées(é ?) être de redoutables correcteurs orthographiques. Pour terminer, le plus grand de mes
mercis revient sans conteste à Corinne.

Table des matières

Introduction .............................................................................................................................. 1
Chapitre I - Contexte ............................................................................................................... 4
I.1 L’électronique de spin ............................................................................................................... 4
I.2 Transport dépendant du spin ................................................................................................... 6
I.2.1 Magnétorésistance géante ......................................................................................................... 7
I.2.2 Magnétorésistance tunnel ....................................................................................................... 14
I.2.3 Transfert de spin ..................................................................................................................... 18
I.3 Dynamique de l’aimantation .................................................................................................. 22
I.3.1 Rappels ................................................................................................................................... 22
I.3.2 Effets de transfert de spin ....................................................................................................... 26
I.3.3 Vérifications expérimentales .................................................................................................. 29
I.3.4 Modèles élaborés .................................................................................................................... 34
I.4 Oscillateurs à transfert de spin .............................................................................................. 37
I.4.1 Généralités sur les oscillateurs ............................................................................................... 38
I.4.2 Anatomie d’un oscillateur ...................................................................................................... 38
I.4.3 Les oscillateurs à transfert de spin .......................................................................................... 40
I.4.4 Etat de l’art ............................................................................................................................. 41
I.4.5 Stratégie de thèse .................................................................................................................... 45
Chapitre II - Techniques expérimentales ............................................................................. 48
II.1 Problématique instrumentale ............................................................................................... 48
II.1.1 Contexte : oscillateur et instabilité ........................................................................................ 48
II.1.2 Concepts de base des mesures radiofréquences .................................................................... 51
II.2 Mesures fréquentielles ........................................................................................................... 55
II.2.1 Description de la chaîne de mesure ....................................................................................... 55
II.2.2 Correction des mesures ......................................................................................................... 57
II.2.3 Analyseur de spectre ............................................................................................................. 59
II.3 Caractérisation RF des oscillateurs à transfert de spin ..................................................... 64
II.3.1 Correction de la chaîne de mesure ........................................................................................ 64
II.3.2 Analyseur de spectre et régime transitoire ............................................................................ 66
II.3.3 Spécificités des jonctions tunnel ........................................................................................... 68
II.4 Mesures temporelles .............................................................................................................. 70
II.4.1 Montage expérimental ........................................................................................................... 70
II.4.2 Traitement du signal temporel ............................................................................................... 72
II.4.3 Analyse de stabilité ............................................................................................................... 77
II.5 Bilan ........................................................................................................................................ 79
Chapitre III - Oscillateur à transfert de spin à polariseur perpendiculaire ..................... 82
III.1 Description macrospin ......................................................................................................... 82
III.1.1 Motivation ............................................................................................................................ 82
III.1.2 Approche macrospin ............................................................................................................ 84
III.1.3 Raffinement du modèle macrospin ...................................................................................... 91
III.2 Etude expérimentale ............................................................................................................ 95
III.2.1 Réalisation du dispositif ....................................................................................................... 96
III.2.2 Caractérisation statique ........................................................................................................ 98
III.2.3 Caractérisation dynamique ................................................................................................. 103
III.3 Simulations micromagnétiques ......................................................................................... 110
III.3.1 Configurations magnétiques inhomogènes ........................................................................ 111
III.3.2 Comparaison aux expériences ............................................................................................ 113
III.4 Conclusion ........................................................................................................................... 118
Chapitre IV - Oscillateur à base de jonction tunnel magnétique .................................... 122
IV.1 Caractérisation statique ..................................................................................................... 122
IV.1.1 Contexte ............................................................................................................................. 122
IV.1.2 Description des échantillons .............................................................................................. 126
IV.1.3 Stress électrique ................................................................................................................. 129
IV.2 Caractérisation fréquentielle ............................................................................................. 132
IV.2.1 HTMR ................................................................................................................................ 132
IV.2.2 LTMR ................................................................................................................................ 136
IV.2.3 Conditionnement ............................................................................................................... 140
IV.3 Etudes temporelles ............................................................................................................. 143
IV.3.1 Régime d’auto-oscillation .................................................................................................. 144
IV.3.2 Oscillateurs multi-modes ................................................................................................... 149
IV.3.3 Stabilité des oscillateurs .................................................................................................... 152
IV.3.4 Bilan sur les mesures temporelles ...................................................................................... 157
IV.4 Conclusion ........................................................................................................................... 160
Conclusion et perspectives ................................................................................................... 163
Références bibliographiques .................................................................................................... i
Lexique ..................................................................................................................................... ix
Liste des communications scientifiques ................................................................................. xi
Brevets ............................................................................................................................................. xi
Publications ...................................................................................................................................... xi
Présentations invitées ...................................................................................................................... xii
Présentations écoles d’été et seminaires ........................................................................................ xiii
Communications orales .................................................................................................................. xiv
Posters ............................................................................................................................................. xv
Introduction

Les progrès technologiques réalisés dans l’élaboration de couches minces et les procédés de
nanostructuration issus de la micro-électronique ont permis l’émergence de nouvelles disciplines
physiques comme l’électronique de spin. A l’interface entre nanomagnétisme et transport électronique,
cette discipline est en plein essor depuis la découverte du phénomène de magnétorésistance géante en
1988. Les avancées scientifiques de l’électronique de spin sont souvent accompagnées de débouchés
dans le domaine technologique. Par exemple, les découvertes de la magnétorésistance géante puis
tunnel ont donné lieu à deux générations de capteurs de champ magnétique intégrés aux têtes de
lecture des disques durs qui permirent une forte augmentation des densités de stockage d’information.
Plus récemment, la prédiction théorique en 1996 de l’effet de transfert de spin et la possibilité de
contrôler l’aimantation d’un matériau par un courant polarisé en spin a suscité un grand intérêt du côté
fondamental comme applicatif. En particulier, le retournement de l’aimantation sous courant polarisé a
donné naissance au concept de mémoires magnétiques ne nécessitant pas de champ externe à l’écriture
et fait actuellement l’objet de nombreuses études préindustrielles.

Ce travail de thèse est dédié à l’étude de la dynamique radiofréquence de l’aimantation sous
courant polarisé en spin en vue de la réalisation d’un oscillateur micro-onde accordable en fréquence.
Dans les nanostructures magnétiques de type vanne de spin ou jonction tunnel, l’application d’un
courant continu peut permettre, via l’effet de transfert de spin, de compenser l’amortissement naturel
de l’aimantation et soutenir un régime dynamique d’oscillation entretenue. L’oscillation magnétique
est alors convertie en signal électrique grâce aux effets magnétorésistifs. L’étude de ce dispositif,
appelé oscillateur à transfert de spin ou STO (Spin Torque Oscillator), a une portée à la fois physique
et applicative. Du point de vue physique, le transfert de spin produit une oscillation de l’aimantation
de forte amplitude non accessible par les méthodes d’excitation conventionnelles. Ainsi l’étude de la
dynamique de l’aimantation n’est plus limitée au régime linéaire d’oscillation de faible amplitude
autour du minimum d’énergie. Les STO donnent la possibilité d’atteindre le régime d’oscillation à
haute énergie et révèlent les effets non-linéaires qui lui sont associés. D’un point de vue applicatif, les
STO sont en phase avec la problématique industrielle de réalisation d’oscillateurs micro-ondes à faible
encombrement et accordables en fréquence. Les avantages des STO par rapport aux technologies
actuelles sont leur taille nanométrique et la possibilité de faire varier leur fréquence d’émission grâce à
l’intensité du courant appliqué ou l’amplitude du champ magnétique externe. Suivant la configuration,
l’accordabilité en courant peut atteindre 100%, c'est-à-dire que la fréquence peut varier de f à 2f pour
0 0
une fréquence de base de l’ordre du GHz. Cependant, les oscillateurs à transfert de spin sont encore au
stade de recherche et de nombreuses améliorations restent indispensables pour envisager une
application technologique. Les principaux points bloquants sont l’amplitude du signal délivré, leur
faible pureté spectrale et la nécessité d’appliquer un champ magnétique externe pour observer le
régime d’oscillations auto-entretenues. L’objectif de cette thèse est de comprendre l’effet du transfert
de spin sur la dynamique de l’aimantation en vue de l’amélioration des performances des STO. Cette
perspective applicative sera en quelque sorte le fil rouge de notre discussion.

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