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Publié par | Thesee |
Nombre de lectures | 109 |
Langue | Français |
Poids de l'ouvrage | 9 Mo |
Extrait
AVERTISSEMENT
Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le
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U.F.R. Sciences et Technologies
Elaboration de jonctions tunnel
magnetiques et de jonctions
metal/oxyde/semi-conducteur pour
l’etude du transport et de la precession
du spin d’electrons chauds.
THESE
presentee et soutenue publiquement le 20 octobre 2010
pour l’obtention du
Doctorat de l’universite Henri Poincare { Nancy 1
(specialite Physique)
par
Julien Bernos
Composition du jury
President : Michel Piecuch Professeur, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Rapporteurs : Aziz Dinia IPCMS, Universite de Strasbourg
Wolfgang Weber Professeur, Universite deourg
Examinateurs : Jacques Peretti CR CNRS, LPMC, Ecole Polytechnique
Daniel Lacour CR CNRS, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Directeur de thèse : Michel Hehn Professeur, IJL, Universite Henri Poincare - Nancy 1
Institut Jean Lamour { CNRS UMR 7198 { Nancy-Universite { UPV-MetzMis en page avec la classe thloria.Table des matières
Partie I Introduction 5
1 Contexte et enjeux du projet 7
1.1 Une brève histoire des magnétorésistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 Précession du spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 Définition et contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Transistors à électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1 Qu’est-ce qu’un électron chaud ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Transistors à électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.3 Dispositifs à chauds polarisés en spin . . . . . . . . . . . 15
1.4 Magnétorésistance tunnel : modèles théoriques . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.1 Anatomie d’une jonction tunnel magnétique . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Effet tunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.3 Modèle de Jullière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4.4 Modèle de Slonczewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.5 Modèle de Butler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.5 Organisation de la thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Partie II Étude de la précession du spin dans des doubles jonctions
tunnel magnétiques 33
2 Doubles jonctions tunnel magnétiques à barrières d’alumine 35
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.1 Objectifs et motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.1.2 Description théorique de la précession . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1Table des matières
2.2 Élaboration des structures à barrières d’alumine . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Bilan des résultats antérieurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.2 Premières mesures de transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.3 Structures optimisées à base de Co intermédiaire . . . . . . . . . . 46
2.2.4 Premières conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3 Mesures de magnéto-transport à basse température . . . . . . . . . . . . . 48
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Partie III Élaboration de multicouches magnétiques pour l’étude du
transport et de la précession d’électrons chauds 53
3 Étude du transport tunnel dans des jonctions CoFeB/MgO/CoFeB 55
3.1 Introduction et motivations de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Jonctions tunnel magnétiques CoFeB/MgO/CoFeB . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.1 Élaboration et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.2.2 Propriétés de transport à basse température . . . . . . . . . . . . . 62
3.3 L’anomalie de conductance à tension nulle (ZBA) . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4 Origines de la ZBA dans nos jonctions tunnel magnétiques . . . . . . . . . 67
3.4.1 Spectres de conductances tunnel (IETS) . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.4.2 Défauts dans la barrière, défauts de volume . . . . . . . . . . . . . 69
3.4.3 Défauts d’interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5 Transition métal-isolant dans les jonctions tunnel . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.1 Modèle de McMillan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.5.2 Discussion des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.1 Bilan et perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.6.2 Quelques mots sur la ZBA dans la configuration anti-parallèle . . . 81
4 Jonctions tunnel à anisotropie magnétique perpendiculaire 83
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2 Propriétés magnétiques des couches minces de Co Tb . . . . . . . . . . 86x 1x
4.3 Jonctions tunnel magnétiques à anisotropies perpendiculaires au plan . . . 88
4.3.1 Conditions d’élaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Propriétés magnétiques des électrodes . . . . . . . . . . . . . . . . 90
24.3.3 Propriétés des jonctions tunnel magnétiques . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4 Oxydation de la couche de Co Tb . . . . . . . . . . . . . . . . 101x 1x
4.4 Jonctions tunnel magnétiques à anisotropies croisées . . . . . . . . . . . . 103
4.4.1 Élaboration et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.4.2 Propriétés de magnéto-transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Élaboration de multicouches ferromagnétiques sur une jonction métal / oxyde
/ semi-conducteur 109
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1.1 Objectifs du chapitre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.1.2 Plan de travail . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.2 Propriétés du substrat semi-conducteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3 Jonctions MOS à barrière d’Al O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1122 3
5.3.1 Caractéristiques des échantillons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.3.2 Contrôle de la rugosité d’empilements oxyde/semi-conducteur . . . 114
5.3.3 Propriétés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.3.4 Influence de l’insertion d’une couche de tantale . . . . . . . . . . . 119
5.3.5 Propriétés électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.3.6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.4 Jonctions MOS à barrière de MgO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.4.1 Caractéristiques et élaboration des échantillons . . . . . . . . . . . 126
5.4.2 Propriétés magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.3 électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.5 Transmission d’électrons chauds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.1 Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.2 Mesures sur un filtre à spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.3 Mesures sur une vanne de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
3Table des matières
Conclusion et perspectives 143
Annexes 149
A Élaboration des échantillons 151
A.1 Épitaxie par jets moléculaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2 Pulvérisation cathodique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
A.2.2 Système de pulvérisation utilisé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A.2.3 Conditions de dépôt des JTM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
B Procédé de structuration 155
Bibliographie 159
4Premiè