La combinaison des substrats de silicium et des jonctions tunnel magnétiques dépo- sées par EJM répondent aux exigences d’injection et de détection comme nous venons de le voir. Les substrats utilisés sont les mêmes que ceux qui ont été caractérisés par les mesures à 3 terminaux présentés dans le chapitre 4. Tout d’abord, intéressons-nous aux électrodes ferromagnétiques, éléments indispensables pour l’injection et la détection d’un courant de spin.
5.2.1
Les jonctions tunnel ferromagnétiques
La dernière condition nécessaire pour détecter un signal de MR reste la stabilisation d’un état anti-parallèle des électrodes FM en contrôlant leurs champs de renversement. Une manière de contôler le champ de renversement des électrodes est de modifier leur forme. L’objectif est d’avoir une gamme de champs magnétiques assez étendue où un état
anti-parallèle est stabilisé. De plus, les renversements doivent aussi être abrupts en évitant le blocage de parois magnétiques dans un état intermédiaire. Pour définir la forme des électrodes, nous avons simulé le renversement de l’aimantation pour différentes formes par le logiciel de simulation micro-magnétique Mumax [124].
(a)
(b)
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 M y / M y s a t µ 0 Hext (mT) Forme 1 Forme 2 Forme 3(c)
(d)
Forme 6Figure 5.6 – (a) Formes simulées pour l’électrode dite douce qui doit présenter le champ de renversement le plus faible dans le couple des électrodes. (b) Signaux d’aimantation renormalisés et simulés avec le logiciel de simulation micro-magnétique Mumax [124] suivant les 3 formes géométriques. (c) Formes simulées pour l’électrode dite dure, der- nière à se renverser en champ magnétique dans le couple d’électrodes. (d) Simulations pour les 3 formes géométriques de l’aimantation en fonction du champ magnétique appli- qué.
On va donc privilégier une première forme pour l’électrode dite douce qui se renver- sera à champ faible sans être trop proche du champ nul pour ne pas être influencé par le champ rémanent des électro-aimants. Les formes proposées pour les électrodes douces sont présentées sur la figure 5.6 (a). Pour les simulations, nous avons utilisés les para- mètres résumés dans le tableau 5.2. Une fois le renversement de l’aimantation modélisé
Tableau 5.2 – Paramètres utilisés our les simulation Mumax. Les valeurs ont été extraites de la base de données du programme de simulation micro-magnétique OOMMF [125].
Maille Msaturation Achange Température Axes Constante
élémentaire d’anisotropie d’anisotropie
20nm×20nm 1700.103A.m−1 21.10−12J.m−1 2 K (1,0,0) et (0,1,0) 48.103J.m−3
par le programme Mumax (figure 5.6(b)), il apparaît clair que le choix se portera sur l’électrode douce avec la forme 3 qui présente un champ de renversement d’environ 16 mT. En effet, le renversement est abrupt, tout en étant proche du champ nul, avec une forme d’électrode simple.
La seconde électrode ou électrode dure doit se renverser à un champ magnétique plus fort pour stabiliser un état anti-parallèle sur une large gamme de champs magnétiques. Les formes et les renversements d’aimantations pour chaque électrode sont résumés respec- tivement dans les figures 5.6 (c) et (d). Finalement l’électrode choisie aura la formes 6 puisque cette dernière présente un champ de renversement d’environ 61 mT.
Après les étapes de structuration nanométrique des couches minces détaillées dans la par- tie 3.3.2, on obtient les dispositifs illustrés sur la figure 5.7.
Figure 5.7 – Dispositif à 4 terminaux ou vanne de spin latérale utilisé pour les mesures d’injection électrique de spin dans le silicium et germanium.
5.2.2
Magnétorésistance locale dans le silicium
Comme explicité précédemment, la première mesure est la magnétorésistance locale ou aussi appelée communément de type géante (GMR). Cela consiste à injecter un courant polarisé en spin au travers des deux interfaces FM/I/SC en branchant une source de courant sur les deux électrodes FM et comme la GMR verticale les deux états d’aimantation (parallèle et anti-parallèle) ne donnent pas la même valeur de résistance ou
de tension. Un nanovoltmètre mesure donc la tension à un courant donné qui dépend de l’état magnétique du dispositif.
La caractérisation des vannes de spin latérales est une étape difficile car elle demande de tester plusieurs dispositifs et de rechercher un signal électrique faible. Cependant, nous avons pu mesurer des signaux de GMR sur plusieurs dispositifs. Dans un premier temps, afin d’avoir un niveau de bruit acceptable, nous avons utilisé une source de courant AC-DC. Le courant DC permet de polariser la jonction tunnel pour l’injection de spin dans le canal alors que le courant d’excitation AC permet l’utilisation d’un lock-in pour la détection du signal de spin, cette technique permet d’améliorer le rapport signal sur bruit.
On obtient alors des signaux comme représentés sur la figure 5.8 en noir qui correspond
-100 -50 0 50 100 0 5 10 R ( m ) µ 0 Hext (mT) GMR Mineur
Figure 5.8 – Courbe de magnétorésistance géante en noir et mineur en vert. Les me- sures sont réalisées à 10 K pour un substrat de silicium dopé n avec un courant appliqué IAC=IDC=1 mA à une fréquence de 333 Hz.
à l’injection dans un substrat de silicium à 10 K d’un courant polarisé en spin entre deux électrodes FM séparées de 200 nm. Pour cela un courant continu de 1 mA et un courant alternatif de 1 mA à 333 Hz sont utilisés et la tension est détectée avec un lock-in. Ici, l’offset sur la courbe de la figure 5.8 a été supprimé pour plus de visibilité. Sur cette courbe on distingue clairement un état anti-parallèle bloqué à une valeur de tension plus importante (10 µV) entre +7 et +32 mT et on observe un état similaire en champs magnétiques négatifs.
Afin de s’assurer de la nature du signal de GMR qui peut être parasité par des effets de magnétorésistance anisotrope des électrodes FM, on mesure un cycle mineur qui consiste à mesurer la résistance en ne renversant que l’électrode douce. La mesure du cycle mineur prouve bien que le signal est lié à l’état magnétique relatif des deux électrodes
FM. C’est ce que l’on a pu mesurer en vert sur la figure 5.8 (b).
L’amplitude des signaux est d’environ 10 mΩ à 10 K sous 1 mA (voir figure 5.8). La résistance initiale dans l’état parallèle du système est d’environ 17,4 Ω . On obtient une MR= ∆ R
R =0,05%. Ce signal mesuré est faible mais avec le bon ordre de grandeur en
comparaison avec la courbe de magnétorésistance de la figure 5.5 (b).
5.2.3
Injection non locale ou méthode pseudo 3 contacts
Plusieurs configurations de mesure sont permises avec les vannes de spin latérales comme nous l’avons rappelé au début du manuscrit dans la partie 2.2.1.3. La mesure idéale est bien sûr la configuration non locale avec un découplage de l’injection et la dé- tection du pur courant de spin, ce qui évite de mesurer les artefacts de magnétorésistance. Dans le cas du silicium, il a été très difficile de mesurer en configuration non locale et pseudo 3 contacts. En effet, les contacts ohmiques présentaient des résistances bien trop importantes. Cela a eu pour conséquence d’amplifier le bruit et d’empêcher l’injection d’un courant plus fort. Dans le futur, il faudra optimiser les contacts ohmiques en chan- geant de matériaux.
5.2.4
Extraction de la longueur de diffusion de spin
Ce problème technique empêche une partie des mesures non locales comme l’effet Hanle qui malheureusement permettent d’obtenir rapidement les paramètres importants de la dynamique de spin comme la longueur de diffusion de spin dans le canal de Si. Nous avons tout de même pu mesurer la magnétorésistance géante pour plusieurs écarts entre les contacts ferromagnétiques (ou gap) et en déduire une longueur de diffusion de spin. Trois gaps ont été mesurés dans des conditions similaires à 10 K avec un courant : IAC=IDC=1mA. La figure 5.9 (a) montre clairement l’amplitude du signal de magnetoré-
sistance qui diminue avec l’augmentation du gap. Ces amplitudes ont été converties en variations de résistance et la dépendance en gap de ∆ R a été ajustée en utilisant une expo- nentielle décroissante comme prédit par l’équation 2.10 (µ↑− µ↓= ∆ µ(x) ∝ exp
−`x
s f
). Cela donne une valeur pour la longueur de diffusion de spin de l’ordre de 1,7 µm ce qui est en très bon accord avec les précédentes publications dans le silicium fortement dopé n [126].
5.2.5
Dépendance en température et comparaison avec les dispositifs
à 3 terminaux
Les mesures d’injection utilisant les dispositifs à 3 terminaux ont montré des signaux de spin jusqu’à température ambiante. Dans le cas des vannes de spin latérales, aucun signal de GMR n’a été détecté à température ambiante. Cela peut être expliqué par le faible signal mesuré sur nos structures même si la dépendance en gap nous donne une
(a)
(b)
-0.1 0.0 0.1 0 5 10 15 R ( m ) µ 0 Hext (mT) Gap: 200nm Gap: 500nm Gap: 1µm 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 2 4 6 8 10 12 14Ajustement exponentielle décroissante
R
(
m
)
Gap (µm)
Figure 5.9 – (a) Mesure de magnétorésistance géante à 10 K dans le silicium dopé n en fonction du gap entre les électrodes FM. (b) Depuis la dépendance en gap du signal de spin, on peut extraire une valeur de la longueur de diffusion de spin en utilisant une exponentielle décroissante.
valeur de longueur de diffusion de spin proche des valeurs de la littérature pour des dopages similaires. L’hypothèse la plus probable est certainement une faible polarisation en spin, il reste à améliorer la préparation de surface de Si et la qualité cristalline du MgO pour augmenter P.
Il est aussi important de noter qu’un écart important existe entre les valeurs de longueur de diffusion de spin extraites des mesures locales à 3 terminaux et celles extraites des vannes de spin latérales. Cependant comme discuté dans le chapitre 4.2.2 les dispositifs à 3 terminaux ne sont pas les bons dispositifs pour extraire un temps de vie de spin dans le canal de SC (i.e une longueur de diffusion de spin) en particulier, à cause des champs magnétiques fluctuants qui ont tendance à diminuer le temps de vie extrait expérimentalement.