Chapitre 4 Variation de capacité de jonctions tunnel à base d'agrégats
4.2 Validation des barrières diélectriques
Dans ce paragraphe nous nous intéressons aux deux principales barrières diélectriques utilisées : l'alumine cible et l'aluminium oxydé. Dans le cadre de l'étude de la capacité, il est important de connaître et de vérifier les propriétés des isolants. Ainsi, les valeurs de constantes diélectriques pour les oxydes d'aluminium varient de ε = 9,3 à ε = 11,5 en fonction des degrés de pureté et de cristallisation du matériau [77] [78]. Qu'en est-il des deux oxydes
4.2 Validation des barrières diélectriques 75
d'aluminium amorphes dont il est question ici ? Pour répondre à cette interrogation, nous avons étudié deux échantillons élaborés dans la géométrie croix :
jonction 1
Co 15 nm / Al 1,5 nm oxydé / Co 15 nm / Au 15 nm1
jonction 2
Co 15 nm / Al2O3 4 nm / Co 15 nm / Au 15 nm
En modélisant les jonctions par des condensateurs plans, il devient possible de calculer la constante diélectrique de l'isolant, connaissant la valeur de la capacité C grâce à la relation :
(4.5)
0
Cd S ε =
ε , où d est l'épaisseur de l'isolant, S la surface de la jonction
et ε0 = 8,84 10-12 S.I. la constante diélectrique du vide.
Ensuite, considérant la magnétorésistance tunnel des échantillons, nous avons vérifié que l'effet tunnel y domine le transport. Les deux jonctions étudiées ici sont magnétiques (leurs électrodes sont en cobalt). Il est prédit [79] que la résistance de telles jonctions doit varier2 avec le champ magnétique, si l'effet tunnel domine le transport électronique.
1 Le nom et la composition des jonctions sont récapitulés dans l’annexe D.
2 La résistance passe d'une valeur faible à fort champ (lorsque les deux électrodes ont la même orientation magnétique), à une valeur élevée à faible champ (lorsque les deux électrodes ont des orientations opposées).
4.2.2 Propriétés diélectriques et isolantes de l'aluminium
oxydé
• Capacité d'une jonction tunnel à base d'aluminium oxydé
figure 4.14 : Variation de la capacité de la jonction 1 à 4°K et z 40 kHz.
La capacité de la jonction 1 est de 3,388 ≤ 0,01 nF, sa variation est inférieure à 1 % sur 500 mV à 40 kHz mais aussi aux autres fréquences. Ainsi, la constante diélectrique de l'aluminium oxydé ne varie pas avec la tension ou la fréquence.
• Constante diélectrique d'une barrière d'aluminium oxydé
Calculons la constante diélectrique de l'aluminium oxydé grâce à l'équation (4.5). La surface de la jonction est de 9 10-8 m² (géométrie croix). L'épaisseur de la couche isolante est mesurée à partir de la figure 4.15, on trouve d = 2,65≤0,15 nm
figure 4.15 : Coupe transverse d'une jonction Co / Al oxydé / NiFe.
4.2 Validation des barrières diélectriques 77
Précédemment, la capacité a été calculée grâce à l'équation (4.4). De manière à minimiser l'erreur introduite par la résistance de fuite (RP sur le schéma de la figure 4.10) de la jonction 1, nous nous plaçons dans des conditions où le signal provenant de la capacité pure est le plus important, c'est-à-dire à haute fréquence et à basse tension.
La constante diélectrique de l'aluminium oxydé est donc : εAlox = 11,2≤0,1. Cette valeur est proche de celle trouvée perpendiculairement à l'axe c dans l'alumine α [78].
• Caractérisations du transport électronique dans la barrière d'aluminium oxydé
Les barrières d'aluminium oxydé ont été développées à l'Unité Mixte de Physique dans le but de mesurer l'effet tunnel dépendant du spin. Pour plus de détail sur cette barrière le lecteur pourra se référer à la thèse de J. Nassar [64]. Nous présentons ici une courbe de magnétorésistance obtenue à 10 mV et à 4°K aux bornes de la jonction 1 (figure 4.16). La variation de résistance de ce type de jonction est de 25 %, ce qui prouve que le transport dans la jonction se fait par effet tunnel.
figure 4.16 : Courbe de magnétorésistance mesurée aux bornes de la jonction 1 à4°K, à 10 mV.
4.2.3 Propriétés diélectriques et isolantes de l'alumine cible
• Capacité d'une jonction tunnel à base d'alumine cible
figure 4.17 : Variation de la capacité de la jonction 2 à 4°K et z 40 kHz.
La capacité de la jonction 2 à 40 kHz est présentée figure 4.17, elle ne varie quasiment pas sur 500 mV (pas plus de 0,5%). Ce résultats est valable quelque soit la fréquence de la tension de modulation. Par conséquent, la constante diélectrique de l'alumine cible (équation (4.5)) est constante entre 1 kHz et 40 kHz et entre 0 et 500 mV.
• Constante diélectrique d'une barrière d'alumine cible
La valeur de la constante diélectrique est calculée grâce à l'équation (4.5) à partir de la mesure de la capacité. La surface est celle d'une jonction croix, S = 9 10-8 m², et l'épaisseur est d = 4 nm. De même que pour la jonction 1, la valeur de la capacité est choisit à haute fréquence et à basse tension.
Ainsi la constante diélectrique de l'alumine cible est εAl2O3 = 9,4≤0,1, ce résultat est proche de celui trouvé parallèlement à l'axe c dans l'alumine α [78].
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• Caractérisations du transport électronique dans la barrière d'alumine cible
La magnétorésistance tunnel de la jonction 2 à 10 mV et à 4°K est tracée figure 4.18.
figure 4.18 : Magnétorésistance tunnel de la jonction 2 à 4°K et à 10 mV.
La variation de résistance est de 9 %, ce résultat étant reproductible, il est clair que le transport du courant au travers de la jonction est dominé par l'effet tunnel.
4.2.4 Conclusion
En conclusion, les barrières diélectriques utilisées dans nos échantillons, présentent les propriétés de transport tunnel. La constante diélectrique de l'alumine cible est très proche de celle de l'alumine cristalline. Dans tous les cas, la variation de capacité des barrières sur 500 mV est très faible, cela permettra d'affirmer plus loin que seule la présence d'agrégats au sein des jonctions est responsable de la variation de capacité.