La magnétorésistance

Dans le modèle de Slonczewski, la conductance d'une jonction tunnel est fonction de l'angle relatif entre la polarisation des électrons, imposée par la direction de l'aimantation de la couche supérieure de l'AFS, et celle de l'aimantation de la couche libre. La première caractérisation des échantillons, qui découle de ce constat, est d'appliquer un champ magnétique externe selon la direction de facile aimantation, c'est-à-dire selon la plus longue dimension latérale de l'échantillon. Notons que la direction du champ d'échange de l'antiferromagnétique PtMn avec l'AFS est

Figure 3.2  Mesure de la résistance diérentielle en fonction du champ appliqué suivant l'axe facile à basse tension (V = 50 µV) pour un échantillon IMEC noté I0. Les èches représentent les directions d'aimantations des trois couches du système. Les deux èches proches sont les directions d'aimantations des couches de l'AFS et la troisième èche légèrement éloignée des autres représente la direction d'aimantation de la couche libre.

alignée avec cet axe facile grâce à un recuit sous champ. La résistance diérentielle mesurée en fonction du champ externe selon l'axe facile (cycle R(H)) est tracée sur la gure 3.2 pour un échantillon IMEC noté I0. La mesure est faite ici à basse tension (∼ 100 mV). Le cycle R(H) est mesuré en balayant le champ dans les deux sens (aller et retour) et montre un renversement entre deux états magnétiques bien dénis par deux valeurs de résistance avec un décalage hystérétique des deux renver-sements suivant l'histoire du champ. Ce résultat est typique d'une anisotropie uniaxiale. La direction d'aimantation de la couche libre étant sensible à la direction du champ extérieur appliqué, l'orientation relative des aimantations peut être modiée, les deux états extrêmes étant les états P et AP. A champ nul, l'état de rémanence peut être soit P soit AP. Celui-ci dépend de  l'histoire  du champ appliqué. Si nous commençons par appliquer un champ négatif favorisant l'état P, puis que l'on diminue le champ jusqu'à zéro, l'état de rémanence sera l'état P. En continuant d'augmenter

le champ vers les valeurs positives, on observe un abrupte changement de résistance en H = Hc caractéristique d'un retournement de l'aimantation de la couche libre. Les aimantations sont alors dans une conguration AP. Selon la théorie, la résistance de l'état AP est supérieure à la résistance de l'état P. Dans le cas présent, Rp et Rap

sont respectivement 1050 et 1900 Ω. Si l'on continue d'augmenter le champ positif, le prochain changement de résistance observée est caractéristique d'un retournement graduel des aimantations de l'AFS dit état  ciseaux  jusqu'à l'alignement des trois couches à une valeur de champ appelé  champ de saturation . A fort champ, les directions d'aimantations de l'AFS peuvent donc aussi être manipulées. Le champ appliqué compense alors le fort couplage antiparallèle de la couche piégée. La champ marquant le début de cette transition est appelé champ de  spin-op , Hsf. A très fort champ, on doit retrouver une valeur de la résistance similaire à Rp, ce qui signie que les trois aimantations sont parallèles. Dans le cas présent, on observe un champ de spin op de 180 mT et qu'il n'y a pas de comportement hystérétique de l'AFS.

La TMR est la diérence entre les résistances Rap et Rp par rapport à Rp. TMR = ^Rap− Rp

R_p ^. (3.2.1)

La TMR est mesurée de façon directe grâce au cycle R(H). Dans cet exemple, on a une TMR de 81%. La gure 3.3a montre un agrandissement du cycle R(H) de l'axe facile précédant. Sur cette petite zone de champ, seule la couche libre réagit au champ appliqué. Dans ce cas, les transitions sont abruptes. Il arrive souvent que la transition soit moins abrupte sur le cycle du fait d'un renversement de l'aimantation se faisant par retournement inhomogène, c'est-à-dire par retournement de domaines situés essentiellement le long des bords dont le processus de nucléation est notamment lié à la présence de défauts. Les valeurs absolues des champs de retournement du cycle R(H) sont appelés champs coercitifs Hc,1/2. Dans le cas présent, Hc,1 = −37 mT et Hc,2 = 21.5 mT. On remarque que le cycle d'hytérésis n'est pas centré en zéro. Ce décalage de 29 mT en champ est dû au couplage dipolaire entre la couche libre et l'AFS et sera noté Hd, le champ dipolaire et Hk = −Hc,1− Hd = H_c,2+ H_d.

Figure 3.3  (a) Agrandissement de mesure de la résistance diérentielle de l'échantill-lon I0 en fonction du champ suivant l'axe facile. (b) Mesure de la résistance diérentielle en fonction du champ suivant l'axe dicile. La ligne grise n'est pas expérimentale mais est tracée pour montrer le cycle attendu en l'absence de couplage entre la couche libre et le AFS. Les èches représentent les directions d'aimantations des trois couches du système. Les deux èches proches sont les directions d'aimantations des couches de l'AFS et la èche légèrement éloignée des autres représente la direction d'aimantation de la couche libre.

Figure 3.4  (a) Cycle de résistance en fonction du champ suivant l'axe facile pour une tension de 100 mV pour l'échantillon H1 vierge (carrés noirs) et dégradé (ronds verts) après une excursion en tension jusqu'à ±800 mV. (b) Cycle R(H) sur une grande gamme de champ.

La gure 3.3b montre la variation de la résistance diérentielle en fonction d'un champ appliqué selon l'axe dicile, à basse tension. On observe ici également un comportement reversible. L'état de rémanence à champ nul peut être soit P soit AP suivant l'histoire du champ et le couplage entre les deux couches. Les données expérimentales sont tracées en noir et, dans le cas présent, l'état stable en champ nul était AP. La ligne grise à été rajoutée pour montrer le comportement hystérétique attendu en l'absence de couplage. La valeur de la résistance hors de la zone bistable est intermédiaire entre les valeurs de l'état P et AP. On considère cela comme caractéristique d'un état où l'aimantation de la couche libre est perpendiculaire à l'axe facile. Il est très probable que les aimantations de l'AFS ont aussi tourné avec le champ et sont en position intermédiaire entre l'axe facile et l'axe dicile. Si l'on augmente encore le champ on pourrait aligner les aimantations avec l'axe dicile. La valeur de la résistance serait alors proche de la résistance Rp.

Sur la gure 3.4a sont représentés les cycles de résistance en fonction du champ sui-vant l'axe facile pour une tension de 100 mV pour l'échantillon H1 (de Hitachi) vierge

(carrés noirs) et après dégradation (ronds verts) après une excursion en tension jusqu'à ±800 mV. Les résistances vierges de l'état P et AP sont 1152 et 1970 Ω, respective-ment. La coercivité est de 4,6 mT et le champ dipolaire est de 6,3 mT. Dans l'état AP, on constate le début de la chute de résistance due au retournement de la couche supérieure de l'AFS. Sur la gure 3.4b est représenté le cycle R(H) sur la gamme de champ maximale. La résolution en champ est alors de 2 mT et ne retranscrit pas cor-rectement la zone hystérétique qui ne contient ici que très peu de points. Aux valeurs de champs négatifs maximales, le retournement de la couche de l'AFS est presque complet. Contrairement à ce que l'on a observé pour l'échantillon I0 (gure 3.2), ce retourne-ment s'avère être un phénomène continu, sans retourneretourne-ment abrupte. Notons aussi que les champs initiant le retournement de l'AFS sont très proches des champs de la zone hytérétique. Enn la stabilisation de la résistance en l'état P est aussi une transition peu abrupte. On constate ensuite (sur la gure 3.4a courbe en ronds verts) que les résistances ont subi quelques changement lors de la dégradation. Les deux valeurs de résistances, et notamment la résistance de l'état AP, ont diminué. La coercivité reste inchangée.