3.3.1 Multicouches cobalt platine
Pour obtenir une couche à aimantation perpendiculaire, une solution est de jouer sur l’anisotropie perpendiculaire apportée sur les interfaces dans les multi- couches de cobalt-platine (voir 1.1.4 page 47). Le premier injecteur testé a été une structure Al2O3/Pt (1 nm)/(Co (0, 5 nm)/Pt (1, 8 nm))4qui présente une aimanta-
tion hors-plan 100% rémanente. Les épaisseurs des différentes couches sont issues des travaux de thèse de S. Landis [Landis, 2001] puis J. Moritz [Moritz, 2003]. Les dépôts d’alumine puis des multicouches de CoPt ont été réalisés dans les mêmes bâtis que pour les structures présentées au paragraphe 3.1 page 85.
Ces échantillons n’ont pas donné de résultats pour l’injection de spins, sans doute à cause de la faible épaisseur de cobalt et du buffer de platine. Celui-ci dégrade probablement beaucoup la polarisation en spin du courant lorsqu’il le franchit – le platine est fortement dépolarisant pour les spins en raison d’un fort couplage spin-orbite –, et d’autre part l’absence de contact direct entre la couche magnétique et la barrière limite le filtrage en spin de celle-ci. La présence de ce buffer est néanmoins indispensable pour obtenir une couche à aimantation per- pendiculaire9 car les multicouches de cobalt-platine ne possèdent cette propriété uniquement si elles croissent sur une couche texturée, ce qui n’est pas le cas si la première des multicouches est du cobalt.
3.3.2 Couches à aimantation planaire redressée
Une autre solution envisagée pour injecter des spins a été de se focaliser sur la notion de filtrage en spin, c’est à dire d’utiliser des couples de matériaux barrière tunnel - métal ferromagnétique connus pour exhiber une forte polarisation ou pour lesquel des résultats d’injection de spins ont déjà été démontrés. Deux couples répondant à ce critère ont été retenus : Fe/Al2O3et CoFeB/MgO.
9. L’effet de l’épaisseur de la couche tampon de platine est précisément décrit dans le travail de thèse de S. Landis [Landis, 2001]
Chercher à optimiser la propriété de polarisation du couple barrière-électrode se fait au détriment du choix de la direction d’aimantation de celle-ci, qui est dans le plan de la couche pour les deux couples choisis. Il est donc nécessaire de trou- ver un moyen pour redresser cette aimantation. Puisque Fe et CoFeB croissent de manière texturée (111), la reprise de multicouches (CoPt)4 à aimantation perpen-
diculaire est possible sur ces électrodes, en espérant que le couplage d’échange entre électrode à aimantation planaire et multicouches à aimantation perpendicu- laire suffise pour redresser l’aimantation de l’ensemble.
a Fer-alumine La première idée a été d’utiliser le couple fer-alumine dont les propriétés de polarisation ont déjà été utilisées pour l’injection de spins dans le silicium par Jonker et al. [Jonker, 2007]. La structure complète de cet injecteur est présentée au (a) de la figure III.37. Les propriétés magnétiques semblent permettre l’injection de spins comme le montrent les graphes de la figure III.37 mais aucun résultat n’a pu être obtenu grâce à ces structures.
FIGURE III.37: Courbes d’aimantation des structures Fe- (CoPt)4
(a) Mesures par effet Kerr des cycles d’hystérésis des couches Fe- (CoPt)4 suivant l’épaisseur de fer déposée. En inset un schéma
de la structure. (b) Mesures par SQUID des cycles d’hystérésis d’une couche Fe0, 5 nm/(CoPt)4suivant la température.
b Barrière d’oxyde de magnésium L’idée d’utiliser la même méthode pour re- dresser l’aimantation de structures MgO/CoFeB a été envisagée. Céline Portemont de la start-up Crocus a réalisé des croissances suivantes : 1,1 nm de Mg suivi d’une oxydation plasma puis une couche de CoFeB de quelques nanomètres d’épaisseur, puis recuit pour assurer une recristallisation du MgO. Après ces étapes, les échan- tillons sont transférés dans le bati de pulvérisation cathodique de Stéphane Auffret
du laboratoire SPINTEC qui dispose d’un graveur ionique pour permettre une lé- gère gravure de la surface du CoFeB avant dépôt de la mutlicouche de (CoPt)4.
Cette gravure ayant pour but d’enlever la couche d’oxyde en surface puis d’amin- cir le couche magnétique pour que l’effet de la multicouche (CoPt)4soit suffisant
pour redresser l’aimantation totale. Différents temps de gravure ont été testés jus- qu’à obtenir une aimantation perpendiculaire.
Les tests d’injection de spin avec ces structures n’ont pas donné de résultats. Une mesure au SQUID de l’aimantation de la couche après gravure du CoFeB et dépôt du (CoPt)4 a donné un résultat sensiblement équivalent à celui d’une mul-
ticouche Pt/(CoPt)4. Il est donc probable que l’aimantation de cette couche ne
devienne perpendiculaire que lorsque la couche de CoFeB a été entièrement gravé, ce qui expliquerait l’absence de résultats d’injection de courant polarisé.
4
Conclusion
Ce chapitre a permis de montrer la possibilité de réaliser des structures bar- rière tunnel - métal ferromagnétique permettant l’injection de courant polarisé en spin dans différents matériaux semi-conducteurs sans avoir à appliquer de champ magnétique.
Le première réussite de ce travail est la croissance entièrement épitaxiée d’une électrode MgO/FePt dans la structure L10avec un très bon ordre chimique et donc
une forte anistropie perpendiculaire sur GaAs. La croissance d’une telle électrode est prometteuse pour l’étude de l’injection de spins grâce au filtrage en spin d’une berrière de MgO épitaxiée mais l’injection n’a pas pu être validée. Un article est en cours de rédaction sur cette croissance.
La croissance par pulvérisation cathodique de l’électrode Al2O3/Co/Pt qui
possède une aimantation perpendiculaire après recuit a été le deuxième résultat probant de ce chapitre. Cette structure, dont l’idée a été proposée par Bernard Rod- macq, nous a permis de valider l’injection de courant polarisé en spin dans le si- licium. Une étude plus approfondie de cette électrode nous a permis de montrer l’amplitude de la variation des propriétés magnétiques et structurale d’une telle couche en fonction du recuit. Un papier est égalament en préparation sur ce phé- nomène.
Le détecteur
Sommaire
1 Transport polarisé en spin dans les semi-conducteurs . . . 114 1.1 Le couplage spin-orbite . . . 114 1.2 Mécanismes de dépolarisation du courant . . . 116 1.3 Détection optique du courant polarisé . . . 124 1.4 Manipulation d’un courant polarisé . . . 130 2 Injection de spins dans le GaAs . . . 133 2.1 Le GaAs . . . 134 2.2 Etude pour l’injection de spin . . . 140 2.3 Conclusion sur l’injection dans le GaAs . . . 142 3 Injection et détection optique de spins dans le silicium. . . 142 3.1 Généralités sur les alliages Si/SiGe . . . 142 3.2 Structures à base de silicium . . . 146 3.3 Détection et polarisation du courant injecté. . . 155 4 Conclusion . . . 163
Si le chapitre précédent traitait de la création d’un courant électrique pola- risé en spin, celui-ci se consacre à son transport dans différents matériaux semi- conducteurs. Une première partie du chapitre apporte quelques éclaircissements théoriques sur différents points évoqués dans la littérature, puis les travaux réalisés avec l’arséniure de gallium et le silicium sont présentés. Les résultats concernent principalement les travaux sur le silicium puisque si la fabrication des échantillons pour étudier le transport polarisé dans l’arséniure de gallium a été menée jusqu’au bout, la partie détection n’est pas terminée.