Aurélien MANCHON 11 décembre 2007
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MAGNETORESISTANCE ET TRANSFERT DE SPIN
DANS LES JONCTIONS TUNNEL MAGNETIQUES
Aurélien Manchon
Directeur de thèse: Bernard Rodmacq
Correspondant CEA: Bernard Dieny
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SPINtronique et TEchnologie des Composants
« Un pont entre la recherche fondamentale et les applications technologiques »
Matériaux fonctionnels Théorie du transport
Caractérisations du transport
Enregistrement magnétique, MRAM, micro-magnétisme, matériaux fonctionnels, effet Hall extraordinaire, injection de spin dans le silicium, transfert de spin…
B. Rodmacq C. Ducruet S. Auffret
J. Vogel S. Pizzini
G. Panaccione M. Hochstrasser
M. Chschiev D. Gusakova A. Vedyayev N. Ryzhanova
B. Dieny
K.-J. Lee
C. Baraduc
S. Petit
U. Ebels
C. Thirion
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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A. Jonctions tunnel magnétiques
I. Contexte et problématiques
Transport déterminé par les densités d’états aux interfaces et par la nature de la barrière
Contrôle de l’oxydation de la barrière et des interfaces
Couche libre
Al2O3, MgO…
IrMn, FeMn, SAF
Couche piégée J
H
21, DDJJJJ
Modèle de Jullière - 1975 (règle d’or de Fermi):
ii
iiiAP
APP
DD
DDP
PP
PP
J
JJTMR ,
1
2
21
21
Modèle limité aux barrières d’alumine, amorphes, transport d’électrons s-d itinérants
Jonctions réelles: influence de la barrière (hauteur et épaisseur), influence des impuretés, des magnons, symétries cristallines (MgO), etc…
d~10 µm-100 nm AlOx: TMR = 20-70%MgO: TMR = 100-500%Vanne de spin métallique: GMR = quelques %
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B. Transfert de spin
I. Contexte et problématiques
Contrôle des aimantations par courant polarisé
Huai et al. Appl. Phys. Lett. 84, 3118 (2004)
Électrons localisésAimantation locale
Électrons itinérantsAimantation hors équilibre
Couple
= polarisation
Électrons localisésAimantation locale
Électrons itinérantsAimantation hors équilibre
Couple
= transfert de spin
Renversement &Excitations R
(
)
H (Oe) I (mA)
Première observation dans les vannes de spin métalliques (1998), puis JTM (2004!)
A. Manchon et al., PRB 73, 184419 (2006); PRB 73, 184418 (2006)A. Manchon et al., JMMM 316, e977 (2007)
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Applications potentielles du transfert de spin dans les jonctions tunnel magnétiques: MRAM, têtes de lectures, oscillateurs RF
C. Problématique et objectifs
I. Contexte et problématiques
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
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
A. Effets d’interface sur Co/AlOx
Influence de l’oxygène sur le transport
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
Ox
Ox
Courant dans le plan
Max d’anisotropieperpendiculaire
Max de réflexion spéculaire
AlCo
Pt
AlCoCu
IrMn
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Ox plasma
Effet Hall extraordinaire (EHE):
H
zEHEH MRHRR 40
Anisotropie oxygène interfacial
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
B. Propriétés magnétiques
Al (1.6 nm)
Co (0.6 nm)
Pt (3 nm)
Même comportement pour M=Mg, Ta, Ru
Ox. Naturelle30 min@ 3 10-3 mbar
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Combinaison de 2 techniques complémentaires
Niveaux de coeur(2p, 3p…)
Niveau de Fermi
E
Spectroscopie de photoémission (XPS)(h > E)
Spectroscopie d’absorption (XAS)(h < E)
e-
e-
XAS: composition chimique moyennée sur le volume de la couche sondéeXPS: composition chimique limitée à la première monocouche sondée
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
C.1 Spectroscopie de rayons X
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Spectres XPS des niveaux 2p du Co
Co pur CoO pur
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
C.2 Spectroscopie de photo émission
Maximum d’AMP Interface Co/AlOx pratiquement oxydée à 100%
Co-Al & Co-Co
Co-O
Co-O
Ox
Co-Al & Co-Co
Co
AlAlAl
Bae et al., APL 80, 1168 (2002)
Oxydation par les joints de grains
A. Manchon et al., accepté à JAP
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II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
Co 3d
O 2p
Transfert de charge Co 3d- O 2pCouplage Co 3d- O 2p
D. Influence de l’oxygène l’anisotropie magnétique
• Interface + Oxygène: orbitales d levée de dégénérescence (champ cristallin , 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
Champ cristallin
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II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
E.1 Influence du recuit
- Migration O de la barrière vers l’interface
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/Al1.6+Ox(60s)
Pt/Co/Pt30 Han=6 kOe
175 emu/cm3
800 emu/cm3
-Réabsorption O du Co vers l’interfaceLee et al., JAP 94, 7778 (2003)
A. Manchon et al., arXiv:0709.2581, soumis à JMMM+JAP
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II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
E.2 Influence du recuit
Avant recuit Après recuit@400°C
Diffusion de l’OAlOx interface+Augmentation de l’AMP
Réabsorption de l’OCoO interface
t<40s
t<25s
t<60s
Ox
Co
AlAlAl
Bae et al., APL 80, 1168 (2002)
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•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
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
F. Conclusion
Propriétés du transport de spin dans JTM Transfert de spin?
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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PMJbPMMJamMJ
T jjsd
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
A. Transfert de spin
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
Champ effectif
Transfert de spin
SlonczewskiT
dt
MdMHM
dt
Mdeff
Barrière tunnel
MP
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B. Modèle d’électrons libres (dispersion parabolique)A. Manchon et al, JPCM 19, 165212 (2007)
Densité de spin transverse:
Formulation de Keldysh:
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
Hypothèses:- Balistique (pas de relaxation de l’accumulation de spin)- WKB (faibles tensions)- Pas d’émission d’ondes de spin- Jonction symétrique
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C. Description microscopique
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
Filtre en incidence + Filtre à spin Terme de champ effectif
Dans une JTM, le terme de champ effectif n’est plus négligeable
MP
Barrière tunnel
x
y
z
x
y
z
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Vanne de spin métallique profil de potentiel = accumulation de spin longitudinalJonction tunnel magnétique profil de potentiel = barrière tunnel
Dépendance angulaire en sinus
D.1 Description macroscopique
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
Jonction tunnel magnétiqueCo/Al2O3/Co
Vanne de spin métalliqueCo/Cu/Co
a jsi
n
(Oe)
a jsi
n
(Oe)
bj sin
(Oe)
A. Manchon et al, JPCM 19, 165212 (2007)
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aj=a1V+a2V2
bj=b0+b2V2
D.2 Description macroscopique – dépendance en tension
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
Hypothèse: absorption complète du courant de spin (STT interfacial)
Kubota et al. Nature 2007A. Manchon et al., arXiv:0712.0055, soumis à JPCMI. Theodonis et al., PRL 97, 237205 (2006)
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• 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
G. Conclusion
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
Détermination expérimentale simple des préfacteurs aj et bj ?
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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IV. Évaluation des composantes du transfert de spin
A. Description des jonctions à base de MgOJonctions tunnel magnétiques à base de CoFeB/MgO/CoFeB
Résistance en fonction du champ appliqué (longitudinal)
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)
Couche libre
MgO
IrMn
Couche de référence
V
H
Couche piégée
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bj=b2V2 bj=0
B. Diagramme de phase longitudinal
2/
2/
1
1
danxPAP
danxAPP
HHHa
V
HHHa
V
IV. Évaluation des composantes du transfert de spin
A=60*140 nm², TMR=100%, RP=3 k
Activation thermique
D
Tk
VMH
B
san
20
Paramètres estimés: Han~100 Oe, Hd=10 000 Oea1~20 Oe/V, b2~40 Oe/V2 (champ d’Oersted~15 Oe)
Koch et al. PRL 92, 088302 (2004)
22
00
0
1
2lnln
1 Vb
V
VHH
c
c
anc
Champ effectif
Tensions critiques@ 0K
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C. Diagramme de phase transverse
danPAPAPP HHa
V 1cos3cos2 0
2
01)(
Tensions critiques @0K
IV. Évaluation des composantes du transfert de spin
A=40*90 nm², TMR=80%, RP=5 k
Paramètres estimés: Han=80 Oe, Hd=10 000 Oea1~50 Oe/V, b2~15 Oe/V2
Activation thermique
00
0
02
02
02
cos,cos,
0
,sinsin
sincos
jjjj
x
anyan
y
andd
anan
baba
H
HHH
H
HHH
HH
bj=0bj=b2V2
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•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
D. Conclusion
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
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Plan de la présentation
I. Contexte scientifique et problématiques
II. Contrôle de l’oxydation d’une barrière tunnel
III. Transfert de spin dans une jonction tunnel magnétique
IV. Évaluation expérimentale des composantes du transfert de spin
V. Conclusion générale
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-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
V. Conclusion générale
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Pt/Co/MOx: - 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
V. Perspectives
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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…
Bernard D.
Clarisse
Claire Ba.
Seb
Ursula
StefaniaJan
Vojtech Mihai
Vincent
Christophe
NicoPierre-Jean
Alain
KateClaire Bo.
Rachel
Momo
Jérôme FVJérôme M.
Giancarlo
Michael
AnatolyMair
Natalya
Nikita
Daria
Claire (la mienne)
Nico
Bernard R.
Gilles
Brian
Ahmad
MedhiVirgile
Mourad
Ricardo
Lucian
Baptiste
Dimitri LucienEt tant d’autres encore…
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Influence du recuitChamp de nucléationAnisotropie magnétique perpendiculaire
Al
O
Co
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Rôle de l’interface Pt/Co?
Pt/Co/Mg+Ox
Pt/Co/Al+Ox(35s)
Pt/Co/Al+Ox(60s)
Pt/Co/PtDiminution de l’anisotropie attribuée au mélange Co-Pt
Après recuit @450°C Han identiques
Après recuit @300°C Han Max
Rigidification de Pt/Co par Co/AlOx?
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bj peut-il être linéaire?
linéairequadratique
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Dépendance angulaire des préfacteurs normalisés
Jonction tunnel magnétiqueCo/Al2O3/Co
Vanne de spin métalliqueCo/Cu/Co
Jbb
Jaa
jj
jj
Ja j 2cos1
1
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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)
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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
Dépendance en tension qualitativement modifiéeModification drastique de l’amplitude
Plan d’impuretés inséré au centre de la barrière, c=3%, d=0.6 nm et U-EF=3.3 eVIntroduction d’impuretés dans la barrière
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Transfert de spin de l’état AP vers P
Transfert de spin de l’état P vers AP
Transfert de spin dans une vanne de spin métallique
J
J
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Spectres XAS aux seuils L2,3 du Co
Dérivées des 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
Spectroscopie d’absorption
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Transport polarisé en spin dans un ferromagnétique
Modèle simpliste: - les électrons itinérants (s) - les électrons localisés (d)
Métaux ferromagnétiques usuels: bandes de conduction relativement complexe
Électrons s
Électrons d
EF
Forte localisation des électrons d aimantation spontanéeFaible localisation des électrons s courant électriqueCouplage s-d courant polarisé
conductivité différente des canaux de spin majoritaires et minoritaires
Co Cu CoDiffusion dépendante du spin Magnétorésistance géante
Etat parallèle: résistance faible
Etat antiparallèle: résistance forte