Aurélien MANCHON 11 décembre 2007 1/31 M AGNETORESISTANCE ET T RANSFERT DE S PIN DANS LES J ONCTIONS T UNNEL M AGNETIQUES Aurélien Manchon Directeur de

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

http://neel.cnrs.fr/

http://images.google.fr/imgres?imgurl=http://www.ua.edu/images1/uawordmark.gif&imgrefurl=http://bama.ua.edu/~pleclair/&h=65&w=130&sz=4&hl=fr&start=14&um=1&tbnid=cl6fOcYfQpxo5M:&tbnh=46&tbnw=91&prev=/images%3Fq%3Dmint%2Bcenter%2Balabama%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dfr

http://www.phys.msu.su/


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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


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


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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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


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


C.1 Spectroscopie de rayons X


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Spectres XPS des niveaux 2p du Co

Co pur CoO pur


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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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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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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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


F. Conclusion

Propriétés du transport de spin dans JTM Transfert de spin?


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IV. Évaluation des composantes du transfert de spin



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PMJbPMMJamMJ

T jjsd


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:


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


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


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


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


Détermination expérimentale simple des préfacteurs aj et bj ?


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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


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


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



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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



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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

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