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high resolution magnetic microscopy
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1
MICROSCOPIE MAGNÉTIQUE À ÉLECTRONS BALISTIQUES VERS L’ÉTUDE
DE NANOSTRUCTURES MAGNÉTIQUES
Lieu du stage : Laboratoire de Physique des Solides (LPS), équipe « Imagerie et dynamique en magnétisme » (IDMAG)
Par Tarik NIAZI
Université Paris 7 Denis Diderot
Stage de Master 2 « Nanotechnologies et Nanosciences »
Parcours « Sciences des Matériaux et Nano-Objets »
2
Imagerie magnétique à haute résolution :apport des techniques de champ proche
MFM (Microscopie à Force Magnétique) SP-STM (Microscopie tunnel polarisé en spin)
+ Versatile+ Pas de limite de température+ Compatible avec des échantillons issus de processus de nanostrucutration
- Résolution limitée à 10-20 nm
+ Résolution atomique
- Échantillons modèles- Basse température et UHV uniquement- Limité à la surface
Le BEEM offre la possibilité de sonder le volume avec une meilleure résolution que le MFM
[Wachowiak et al, Science 2001]
[Shinjo et al, Science 2000]
Résolution théorique: 1 nm
3
OBJECTIFS DU STAGE
• Optimisation de la procédure de fabrication des nano-disques magnétiques, dans le but de détecter la configuration magnétique VORTEX.
• Caractérisation magnétique des nano-disques, en utilisant d’abord la magnétométrie optique Kerr (MOKE) puis la microscopie à force magnétique (MFM).
4
Principe de fonctionnement du BEEM non magnétique (Ballistic Electron Emission
Microscopy)
x
E
1. Injection d’électrons chaud par la pointe STM.
2. Transport et diffusion par des processus d’interaction inélastique.
3. Filtrage énergétique à l’interface base/semi-conducteur grâce à la barrière Schottky.
4. Collecte d’électrons balistiques.
1 2 43[Prietsh, Phys Rep 1995]
[Smoliner et al., Rep Prog Phys 2004]
5
Principe du contraste magnétique dans le transport à électrons chauds
exemple d’une vanne de spin Co(2)/Cu/Co(2)
0 5 10 15 200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
20
40
60
80
100AuCo CuCuCoCu
I/I0
t (nm)
Spin UP Spin DOWN
Au
Polarisation
Po
lari
sati
on
(%
)
0 5 10 15 200.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0
20
40
60
80
100AuCo CuCuCoCu
I/I0
t (nm)
Spin UP Spin DOWN
Au
Polarisation
Po
lari
sati
on
(%
)
État d’aimantation Anti-parallèle État d’aimantation Parallèle
Polariseur AnalyseurAP
APP
I
IIMC
[Rippard et Buhrmann PRL 2000]
6
0.022 %
Transmission0.080 %
Structure de l’échantillon:Au/Cu/Co(2)/Cu(6)/Co(2)/Cu/Au/Si(111)
Taille d’image: 1.2 x 1.2 μm² Image sous champ magnétique de 100Oe
Image topographique Image avec contraste magnétique
Exemple d’imagerie BEEM
[Kaidatzis et al., Phys RevB 2008]
7
PLAN
1. LE VORTEX MAGNÉTIQUE
2. NANO-FABRICATION
3. NANO-DISQUES MAGNÉTIQUES
4. CONCLUSION
8
1. LE VORTEX MAGNÉTIQUE
9
État vortex dans un nano-disque
Compétition entre énergie d’échange et énergie dipolaire
ij i jE JS S 0
2d dE H M
[Wachowiak et al Science 2001] [Shinjo et al Science 2000]
Simulation d’un vortex magnétique Première détection historique du cœur de vortex par MFM
10
Conditions pour obtenir un état vortex dans un nano-disque magnétique
[Cowburn et al., PRL 1999]
CONDITIONS :
Diamètre des nano-disques :> 300nm
Épaisseur de la couche magnétique:> 6nm
Point blanc : nano-disque avec état vortexPoint noir : nano-disque avec état uniforme
11
Dispositif qu’on a imaginé pour caractériser des vortex par BEEM
12
2. NANO-FABRICATION
13
Si (111)
Au (Or)
Résine électro-sensible
Py (Permalloy)
Principe de nano-fabrication
Enrésinage InsolationDéveloppement
DépôtLift-off
Gravure IBE
Polariseur Analyseur
14
Traitement thermique sur des diodes Schottky
-1000
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
-20 -15 -10 -5 0 5
tension(V)
inte
nsi
té(µ
A)
sans recuit
avec recuit 310°C
avec recuit 325°C
Caractéristique courant/tension des diodes Schottky :
( )( 1)
eV
kTsJ J e
Structure des diodes Schottky:
Si//Au(100nm)
Diamètre des diodes Schottky :
4mm
Hauteur de la barrière Schottky :
0,77 0.8B eV eV
15
Optimisation de la nano-fabrication des nanodisques
Couche métallique
PMMA
Substrat Si (111)
Solvant (Acétone)
Substrat Si (111)
PMMA
Couche métallique
MAA
500nm
500nm
16
Contact de la résine au bord des nano-disques
Test de dosage pour l’optimisation de la nano-fabrication du polariseur
Dose = 260µC/cm² Dose = 320µC/cm²
Conditions optimales de nano-fabrication : 1. Bicouche MAA/PMMA
2. Dosage entre 320µC/cm² et 400µC/cm²
1µm1µm
17
3. NANO-DISQUES MAGNÉTIQUES
18
Champ appliqué parallèlement au plan - Si//Au(5nm)/Py(6nm)/Au(5nm)
-0.005
0
0.005
-2 0 2
Champ magnétique (Oe)
Ro
tati
on
de
la
po
lari
sa
tio
n (
de
gré
)0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
100°
110°
120°
130°
140°
150°
160°
170°
180°
Caractérisation magnétique de l’analyseur par effet Kerr longitudinal
Structure de l’échantillon : Si//Au(5nm)/Py(6nm)/Au(5nm)
19
Réseau de nano-disque magnétique 100x100µm²
Champ appliqué parallèlement au plan
-0.004
0
0.004
-600 -400 -200 0 200 400 600
Champ magnétique (Oe)
Ro
tati
on
de
la p
ola
ris
ati
on
(d
eg
)H
Réseau de nano-disques magnétiques soumis à un champ magnétique H
Caractérisation magnétique du polariseur par effet Kerr longitudinal
500nm
Structure de l’échantillon : Si//Py(15nm)
20
Caractérisation magnétique par MFM du polariseur
Cœur de vortexmagnétique
Réseau de nano-disque magnétique 100x100µm²
Structure de l’échantillon : Si//Py(15nm)
21
Caractérisation magnétique par MFM du polariseur avec une pointe champfaible
Réseau de nano-disque magnétique 100x100µm²
500nm
Structure de l’échantillon: Si//Py(15nm)
22
Caractérisation magnétique par MFM et effet Kerr longitudinal du polariseur Structure de l’échantillon : Si//Au(5nm)/Py(15nm)/Au(5nm)
Champ appliqué parallèlement au plan
-0.0015
0
0.0015
-600 -400 -200 0 200 400 600
Champ magnétique(Oe)
Ro
tati
on
de
la
po
lari
satio
n (
deg
)
Série1
Réseau de nano-disque magnétique 100x100µm²
500nm
23
4. CONCLUSION
24
1. Dans ce travail nous avons optimisé la fabrication des nano-disques magnétiques.
2. L’état vortex a été mis en évidence dans nos nano-disques magnétiques :
Perspective :
3. Fabrication de l’ensemble de l’échantillon BEEM (polariseur+analyseur).
4. Caractérisation des vortex Test de la résolution ultime du BEEM. Étude du transport polarisé en spin en géométrie non-colinéaire.
Nano-disque magnétique avec
un état vortex
25
CARACTÉRISATION MAGNÉTIQUE
• Magnétométrie optique Kerr (MOKE) :Cette technique permet de reconstruire le cycle d’hystérésis d’un matériau
magnétique en mesurant la polarisation de la lumière après réflexion. Il existe deux géométrie principales de mesure :
1. Effet Kerr Polaire
Le champ magnétique est parallèle au plan d’incidence de la lumière et normale au plan de la surface du film que l’on étudie. On est alors sensible à l’aimantation perpendiculaire à la surface.
26
2. Effet Kerr Longitudinal
Le champ magnétique est à la fois parallèle au plan d’incidence et au plan de la surface du film que l’on étudie. On est alors sensible à l’aimantation dans le plan de la surface.
27
• Microscopie à force magnétique (MFM) :Le MFM (Magnetic Force Microscope) est un moyen d’investigation de
champ proche utilisant les principes de base de l’AFM (Atomic Force Microscope 1986). La différence entre ces deux techniques est
essentiellement le revêtement magnétique de la pointe silicium dans
le cas du MFM qui lui permet de sonder les forces magnétiques en plus des forces atomiques.
28
Courbe d’hystérésis mesuré par magnétométrie optique à effet Kerr polaire. Échantillons Si//Au(5nm)/Py(t)/Au(5nm) pour différentes épaisseur de
Permalloy.
Champ appliqué perpendiculairement au plan - Si//Au(5nm)/Py(t)/Au(5nm)
-0.04
0
0.04
-4000 -2000 0 2000 4000
Champ magnétique (Oe)
Ro
tati
on
de
la
po
lari
sa
tio
n (
de
gré
)t = 2 nm
t = 4 nm
t = 6 nm
t = 8 nm
Caractérisation magnétique de l’analyseur
29
Courbe d’hystérésis mesuré par magnétométrie optique à effet Kerr longitudinal, pour des orientations allant de 0° à 180°. Échantillons
Si//Au(5nm)/Py(2nm)/Au(5nm)
Champ appliqué parallèlement au plan - Si//Au(5nm)/Py(2nm)/Au(5nm)
-0.001
0
0.001
-5 0 5
Champ magnétique (Oe)
Ro
tati
on
de
la
po
lari
sa
tio
n (
de
gré
)
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
90°
100°
110°
120°
130°
140°
150°
160°
170°
180°
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