La magnétorésistance géante Histoire d`une découverte

Report
La magnétorésistance géante
Histoire d’une découverte
1988
A. Fert
1938
P. Grünberg
1939
Prix Nobel de Physique
2007
Prix Nobel de Physique
2007
Fe
Cr
Fe
Histoire d’une découverte
et de ses applications
de la magnétorésistance géante (GMR)
à l’électronique de spin
Capteur GMR dans une tête
de lecture de disque dur 1997
spintronique
Ta (50 Å)
Ru (50 Å)
IrMn (60Å)
NiFe (20Å)
Al2O3 (9 Å)
CoFe (20 Å)
Ru (8 Å)
CoFe (20 Å)
PtMn (200 Å)
Ta (100 Å)
F. Hippert
Professeur à Phelma
Élément de mémoire MRAM
utilisant la TMR 2008
L’électron a une charge électrique
(-e avec e >0)
et un moment cinétique intrinsèque
SPIN
Origine quantique
J. J. Thomson
1856-1940
W. Pauli
1900-1958
Prix Nobel
de Physique 1906
Cours de Physique
Quantique
P. Dirac
1902-1984
Prix Nobel
de Physique 1945
Deux états possibles de la composante
z
up
Sˆ z
Prix Nobel
de Physique 1933
selon un axe Oz
down
ou
e
ˆ
S
e
Au moment cinétique est associé un moment magnétique
qui lui est proportionnel
En électronique conventionnelle
la charge est manipulée par des champs électriques
Le spin de l’électron est ignoré
L’électronique de spin manipule la charge et le spin
des matériaux particuliers
Partie 1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-1 : Notions de transport électronique
Conduction dans un métal en ignorant le spin
Cristal parfait
Cristal imparfait : impureté
Cu = un cristal d’ions Cu+
et des électrons “libres”
délocalisés
Collision élastique sur l’impureté
Cristal imparfait : vibration atomique
Collision due aux vibrations atomiques
1-1 : Notions de transport électronique
Conduction dans un métal en ignorant le spin
l
Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen
Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion
τ

l  v0 τ
Cu v0 = 1.6 106 m.s-1
à4K
 = 2 10-9 s
à 300 K  = 2.7 10-14 s
l = 3.2 mm
l = 43 nm
l
1-1 : Notions de transport électronique
Conduction dans un métal en ignorant le spin
En l’absence de champ électrique :
vitesse moyenne nulle

 v 0  0
En présence d’un champ électrique :

vitesse moyenne non nulle  v
eτ 

 v
E
m

E

 v


 v  v 0
La charge de l’électron est -e avec e >0
1-1 : Notions de transport électronique
Conduction dans un métal en ignorant le spin

E

 v
j
Densité de courant A.m-2


j  n e  v
n: nombre d’électrons « libres »
participant au transport
 n e2τ 

1 
j
E σE  E
m
ρ
j
σ conductivité
S
L
I  jS
R ρ
L
S
 résistivité
1-1 : Notions de transport électronique
Conduction dans un métal en tenant compte du spin
Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip)
N. Mott
1905-1996
ou
e
e
se produisent au bout d’un temps
e
e
Prix Nobel
de Physique 1977
τ sf  τ
Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment
 

j  j  j  σ  σ   σ 
Mott (1936) : Modèle à deux courants
idée
1-1 : Notions de transport électronique
Conséquences du modèle à deux courants
Cas du cuivre
Cas du fer
τ  τ  σ  σ
τ  τ  σ  σ
τ sf  τ  et
τ sf  τ
e
e
e
e

E
j
Preuve expérimentale :
Thèse A. Fert
(I. Campbell)
Orsay 1970

E
j
j
j = j 
On peut ignorer le spin
τ
j
j > j
On ne peut pas ignorer le spin
1-1 : Notions de transport électronique
Conséquences du modèle à deux courants
pour la conduction dans le fer
 

j  j  j
j > j
σ  σ  σ
σ  σ  ρ  ρ
I
r
I
R
I > I
1
ρ

1
ρ

1
ρ
1-1 : Notions de transport électronique
Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ?
Le fer est un métal ferromagnétique
1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-2 : Notions de magnétisme
Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ?
- Il existe des atomes porteurs d’un moment magnétique
at
- En dessous d’une température critique Tc ,
en champ appliqué nul,
tous les moments sont parallèles
Existence d’un moment macroscopique spontané
M = N at
ferromagnétisme
1-2 : Notions de magnétisme
Le fer : un exemple de métal ferromagnétique
Les électrons s sont “libres”.
Responsables du caractère métallique
Fer : [Ar] 4s2 3d6
Les électrons d restent localisés.
Responsables de l’existence
du moment magnétique
localisé sur chaque atome de fer
at
Tc = 1043 K
à 300 K at= 2 B par atome de Fer
Structure du fer
B = 9.274 10-24 A.m2
0.287 nm
Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe80Ni20 (permalloy), Co
1-2 : Notions de magnétisme
Conduction dans un métal ferromagnétique (Fe, Ni, Co)
Les électrons s conduisent le courant électrique
Leur sens up ou down est défini par leur orientation
par rapport au moment ferromagnétique
up
e
anti parallèle à
down
parallèle à
M
e
τ  τ  σ  σ  ρ  ρ
M
1-2 : Notions de magnétisme
Induction magnétique B : ordre de grandeur
En laboratoire on sait produire B de 0 à 20 T
Champ terrestre 5 10-5 T
1Gauss = 10-4 Tesla
Champ lu par une tête de lecture d’un disque dur :  0.01 T
Champ créé par une tête d’écriture d’un disque dur : < 1 T
1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
a : La découverte
b : principe de la GMR
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
Qu’est ce que la magnétorésistance ?
Le fait que la résistance dépende du champ appliqué
R(B)  R(B  0)  R 0
Avant 1988 : dans les matériaux ferromagnétiques « massifs »
Phénomène de magnétorésistance anisotrope (AMR)
R 0 - R(B)
 2 à 3 % pour B  10
3
T à 300 K
R0
1988 : découverte indépendante et simultanée
à Orsay et à Jülich
d’un effet de magnétorésistance géante (GMR)
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
2075 citations
R 0 - R(B  2 T)
R(B  2T)
 8 0 % à 4.2 K
GMR
V
I
Cr métal non magnétique 0.9 nm
Fe métal ferromagnétique 3 nm
Bicouche répétée 60 fois
Epaisseur totale : 230 nm
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
1988 A. Fert
T = 4.2 K
T = 4.2 K
Bs= 2 T
R ap  R p
Rp
Bs
Magnetic field (kG)
B < - Bs
Etat parallèle
Rp
B=0
Etat anti parallèle
R 0  R ap
10 kG = 1 T
B > Bs
Etat parallèle
Rp
 0 .8
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
667 citations
R ap  R p
Rp
 1.5 % pour B s  0.15 T à 300 K
Cr 1 nm
Fe 1.2 nm
Tricouche
Epaisseur : 3.2 nm
Brevet
Avril
1988
1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
a : La découverte
b : principe de la GMR
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Quels ingrédients nécessaires ?
alternance de couches de métal ferromagnétique et de métal normal
Fe / Cr
Co / Cr
Ni80Fe20 / Ag
Dans le métal ferromagnétique : ρ   ρ 
Une multicouche :
Epaisseur totale <<

v 0 τ sf
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Quels ingrédients nécessaires ?
Un couplage entre les moments des couches
ferromagnétiques successives tel que en champ nul
Etat antiparallèle de la multicouche
Sous champ B > Bs
Etat parallèle de la multicouche
B
Comment choisir les matériaux , les épaisseurs ?
Quelle influence des interfaces ?
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Transport dans une multicouche
e
e
e
Etat anti parallèle
de la multicouche
Etat parallèle
de la multicouche
e et e définis par rapport au moment de la première couche traversée
e
e
e
e
I = I
I > I
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Calcul de la GMR
e
e
1

R ap
r
R
R
r
1
R r
R ap 

e
e
1
1
R r
Rp
R r
r
r
R
R

1
2R
Rp 
2

1
2r
2R r
Rr
R ap  R p
R ap  R p
Rp

(R  r)
4R r
2

( α - 1)
4α
2
avec α 
R
a : asymétrie de spin
r
propriété du ferromagnétique
+ INTERFACES
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Pourquoi
en champ nul ?
1986 P. Grünberg
711 citations
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Il existe une énergie de couplage
entre les moments des couches ferromagnétiques
successives via la couche métallique non magnétique
 
E  -J M 1 .M 2
Si J >0, en champ nul
Si J >0, sous champ
B  Bs
M2
M1
M2
M1
B
Le signe de J dépend de l’épaisseur du métal normal
Pour le Cr J < 0 pour 0.9 nm J > 0 pour 2 nm
Contrôle des épaisseurs
1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
a : La découverte
b : principe de la GMR
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
Pourquoi 1988 à Orsay ?
Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique ρ   ρ 
Pour exploiter cette différence de résistivité dans une multicouche
Il faut que les épaisseurs des couches < quelques nm
1 nm Cr = 3 couches atomiques
1988
1/ la possibilité de réaliser les multicouches
avec des interfaces de qualité suffisante
2/ l’existence du couplage d’échange connue
P. Grünberg 1986
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
machine d’épitaxie à jet moléculaire
Techniques de dépôt
sous ultra-vide
couche par couche
En 1988 une machine d’épitaxie existait au laboratoire central de Thomson
Le premier enseignement que je tire de l’aventure est que les avancées
technologiques ont en général des racines très anciennes en recherche
fondamentale. La magnétorésistance géante et l’électronique de spin ne
sont pas nées par génération spontanée en 1988.
Dans les années 30, le prix Nobel de physique Sir Nevill Mott avait déjà
proposé que le spin intervienne dans la conduction électrique. La
confirmation expérimentale et le développement de modèles datent des
années 1970 (Orsay (A. Fert / I. Campbell), Strasbourg, Eindhoven)...........
Mais fabriquer des structures artificielles à l’échelle du nanomètre était
impensable à l’époque. Le passage à la GMR et à l’électronique de spin est
ensuite venu de la conjonction des idées de physique fondamentale que
nous avions développées vers 1970 et des progrès des techniques
d’élaboration de nanostructures au milieu des années 80.
A. Fert en 2003
Médaille d’or du CNRS
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
Pouvait on prévoir l’amplitude de l’effet GMR ?
Oui et non
Oui sur la base des travaux des années 1970
Mais on pouvait craindre que les défauts structuraux
et la rugosité des interfaces ne détruisent le contraste entre  et 
en introduisant par exemple des mécanismes qui « flippent » le spin
La chance a été que les interfaces ajoutent une diffusion
qui dépend du spin comme celle à l’intérieur de la couche de Fe
A. Fert en 2008
Discours lors de la remise
du Prix Nobel
1 / La magnétorésistance géante :
histoire d’une découverte
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 3 : Qu’est ce que la magnétorésistance géante ?
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin
Vers les applications.......
1988 A. Fert / P. Grünberg
Epitaxie à jet moléculaire
Dépôt lent
1990
impossible à utiliser pour une production de masse
S.S.P. Parkin (IBM Almaden, USA)
Dépôt par technique de pulvérisation
(Fe/Cr, Co/Ru et Co/Cr)
ça marche !!!
1991 Peut on obtenir un effet GMR important à température ambiante
et dans un champ faible ?
OUI !!!
B. Dieny et al (IBM Almaden, USA)
1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin
Vanne de spin
545 citations
1/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées
Augmenter l’épaisseur de
la couche de métal normal :
Cu 2 nm
2/ Bloquer la direction de l’aimantation d’une des couches ferromagnétiques
par interaction avec une sous-couche adaptée (antiferromagnétique)
Changement d’état parallèle à
anti parallèle en champ très faible
 10
RAP
R AP - R P
2%
-4
T à 300 K
20%
RP
RP
1Oe = 1G = 10-4 T
Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) :
son rôle est de bloquer l’aimantation de la couche ferromagnétique
ou
Couche ferromagnétique « piégée » Ni80Fe20 15 nm
Couche métallique non magnétique (Cu 2 nm)
Couche ferromagnétique libre Ni80Fe20 15 nm
Dieny et al 1991
La magnétorésistance géante (GMR)
1/ Histoire d’une découverte
PAUSE
2 / Les applications de la GMR
3/ De la magnétorésistance géante
à l’électronique de spin

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