MAGNETISME ET TRANSPORT POLARISE EN SPIN DANS DES JONCTIONS TUNNEL MAGNETIQUES. UTILISATION DU TRANSPORT TUNNEL COMME UNE SONDE MICROMAGNETIQUE
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Texte intégral
(2) Université Louis Pasteur (Strasbourg I). THESE présentée pour l’obtention du titre de. DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DE STRASBOURG LABEL: DOCTORAT EUROPEEN Spécialité : Physique de la matière condensée par. CORIOLAN-VIOREL TIUSAN. MAGNETISME ET TRANSPORT POLARISE EN SPIN DANS DES JONCTIONS TUNNEL MAGNETIQUES. UTILISATION DU TRANSPORT TUNNEL COMME UNE SONDE MICROMAGNETIQUE. Soutenue: le 26 juin 2000. Composition du jury: MM.. Invités:. MM.. F. Gautier. Rapporteur interne. J. Gregg. Rapporteur externe. J. de Boeck. Rapporteur externe. K. Ounadjela. Directeur de thèse. H.A.M van den Berg. Co-directeur de thèse. B. Dieny. Examinateur. E. Burzo M. Hehn. Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg.
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(105) Table de matières Introduction générale Chapitre 1: Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques 1.1. Introduction ................................................................................................................. 1 1.2. L'état de l'art................................................................................................................. 2 1.3. Applications des jonctions tunnel magnétiques ........................................................... 6 1.3.1. Capteurs magnétorésistifs .............................................................................. 6 1.3.2. Mémoires magnétiques ................................................................................... 8 1.3.3. Transistors magnétiques à effet tunnel ........................................................... 10 1.3.4. La JTM, sonde pour étudier le magnétisme de couches minces magnétiques ........................................................................................ 10 1.4. Transport polarisé en spin à travers une barrière isolante, magnétorésistance tunnel (TMR)................................................................................ 11 1.4.1. Conduction par effet tunnel entre deux métaux. Relation courant- tension pour une jonction métal isolant métal.................... 11 1.4.2. Approximation des électrons libres ................................................................. 14 1.4.3. Effet tunnel polarisé en spin dans une jonction métal ferromagnétique isolant métal ferromagnétique ......................................................................... 16 1.4.4. Au-delà de l'approximation des électrons libres.............................................. 22 1.4.5. Les événements rares dans le transport tunnel ............................................... 25 1.5. Conclusion du chapitre 1 ............................................................................................. 25 Références du chapitre 1 ............................................................................................. 27. Chapitre 2: Techniques d'élaboration et d'analyse de jonctions tunnel magnétiques 2.1. Techniques d'élaboration de jonction tunnel magnétiques .......................................... 29 2.1.1. Préparation des échantillons par pulvérisation cathodique........................... 29 2.1.2. Structuration des jonctions par lithographie optique..................................... 31 2.2. Techniques de caractérisation ...................................................................................... 37 2.2.1. Caractérisation structurale a) Diffraction de rayons X (XRD) ................................................................. 37 b) Spectroscopie X de photo- émission d'électrons (XPS) ............................. 38 c) Microscopie électronique en transmission (MET)...................................... 38 d) Microscopie à force atomique (AFM) ........................................................ 39.
(106) 2.2.2. Analyse des propriétés magnétiques a) Magnétomètre AGFM- étude des propriétés magnétiques à l'échelle macroscopique ....................................................................... 41 b) Microscopie de force magnétique (MFM) -étude des propriétés magnétiques à l'échelle microscopique..................................................... 42 2.2.3. Analyse des propriétés de transport a) Mesures de transport dans une géométrie à quatre pointes propriétés à l'échelle microscopique ........................................................ 44 b) Cartographie des courants tunnel - propriétés de transport à l'échelle nanoscopique.......................................................................... 45 Références du chapitre 2 .............................................................................................. 49. Chapitre 3: Croissance et propriétés structurales des multicouches 3.1. Contexte et objectifs de ce travail ................................................................................ 51 3.2. Design d'une jonction tunnel à base de système antiferromagnétique artificiel...................................................................................... 53 3.3. Fabrication des empilements multicouches: croissance, oxydation ............................ 54 3.3.1. Croissance......................................................................................................... 54 3.3.2. Oxydation .......................................................................................................... 55 a) L'oxydation thermique ................................................................................. 55 b) L'oxydation dans une plasma RF................................................................. 57 3.4. Caractérisation structurale............................................................................................ 59 3.4.1. Propriétés cristallographiques des multicouches (XRD)................................. 59 3.4.2. Propriétés topographiques des surfaces (AFM, TEM) .................................... 61 a) Analyse par la microscopie à force atomique (AFM).................................. 61 b) Analyse des interfaces par microscopie électronique en transmission (MET)..................................................................................... 66 3.4.3. Propriétés chimiques de la barrière tunnel (XPS) Optimisation du temps d'oxydation ................................................................. 68 3.5. Conclusion du chapitre 3 ............................................................................................. 71 Références du chapitre 3 ............................................................................................. 73. Chapitre 4: Propriétés magnétiques des jonctions tunnel magnétorésistives, à l'échelle macroscopique et microscopique 4.1. Magnétisme à l'échelle macroscopique........................................................................ 75.
(107) 4.1.1. Fonctionnement d'un système antiferromagnétique artificiel ......................... 76 4.1.2. Propriétés magnétiques macroscopiques des couche uniques ........................ 82 4.1.3. Propriétés magnétiques macroscopiques des systèmes antiferromagnétiques artificiels ...................................................................... 88 4.2. Magnétisme à l'échelle microscopique ........................................................................ 96 4.2.1. Propriétés microscopiques des couches uniques ............................................ 97 4.2.2. Propriétés microscopiques des systèmes antifferomagnétiques artificiels....................................................................... 104 4.2.3. Stabilité des parois à 360° dans les couches magnétiques d'un système AAF............................................................................................ 111 4.2.4. Analyse du contraste MFM donnée par une paroi à 360° .............................. 115. 4.3. Magnétisme du sous- système magnétique doux......................................................... 118 4.3.1. Architecture du sous- système magnétique doux............................................. 118 4.3.2. Couplage magnétique entre les deux électrodes d'une JTM ........................... 121 4.3.3. Magnétisme du sous-système magnétique doux, à l'échelle macroscopique et microscopique.................................................................................................. 124 4.4. Conclusion de chapitre................................................................................................. 138 Références du chapitre 4 ............................................................................................. 141. Chapitre 5: Transport polarisé en spin dans les jonctions magnétiques tunnel 5.1. Transport polarisé en spin dans les JTMs basées sur le système AAF ...................... 145 5.2. Corrélation entre le micromagnétisme et la magnétorésistance tunnel dans le JTM...................................................................................................... 157 5.2.1. Forme des cycles TMR est structures en domaines ......................................... 157 5.2.2. Modèle électrique pour la JTM dans un état multidomaine ........................... 159 5.2.3. Illustration de l'effet de la structure en domaines sur le signal TMR............. 162 5.3. Utilisation du transport tunnel dans une JTM comme sonde pour étudier le micromagnétisme de ses électrodes ............................................................. 172 5.4. Conclusion ................................................................................................................... 177.
(108) 5.5. Propriétés de transport à l'échelle nanoscopique par cartographie des courants tunnel......................................................................... 179 5.6. Conclusion de chapitre ................................................................................................ 184 Références du chapitre 5 .............................................................................................. 187. Chapitre 6: Perspectives ............................................................................................ 189 6.1. Transistor magnétique à effet tunnel Mémoires magnétiques non-volatiles .................................................................... 190 6.2. Propriétés micromagnétiques statiques et dynamiques d'objets multicouches complexes de taille submicronique ................................................. 193 Références du chapitre 6 ............................................................................................... 197. Appendices ..................................................................................................... 199 Appendice A Correlation between micromagnetism and tunnel magnetoresistance in magnetic tunnel junctions using artificial ferrimagnets........................................................ A1 Appendice B Tunnel magnetoresistance and induced domain structure in Al2O3 based junctions ...................................................................................... A15 Appendice C Analysis of domain wall influence on the TMR signal .................................... A21 Appendice D Liste de publications issues du travail de thèse ............................................. A28.
(109) Introduction générale. x. Introduction générale Les percées technologiques dans les méthodes d'élaboration des matériaux ont permis tout au long de ces 30 dernières années la mise au point de structures artificielles constituées de couches de quelques plans atomiques d’épaisseur ou d’un empilement de ces couches appelé multicouche. En utilisant une ou plusieurs techniques de dépôt au sein d’un complexe d’élaboration unique, il est possible d’associer dans une multicouche des matériaux métalliques magnétiques, des semi-conducteurs ainsi que des isolants. Un effort de recherche considérable s’est concentré sur les structures hybrides métal ferromagnétique / isolant / métal ferromagnétique (MF/I/MF) ou semi-conducteur / métal ferromagnétique dans lesquelles est mis à profit l’association des propriétés intrinsèques de chaque matériau.. Depuis sa découverte en 1975 par Jullière, l'effet tunnel dépendant du spin dans des structures MF/I/MF a connu un regain d'intérêt ces cinq dernières années avec sa mise en évidence à température ambiante et avec ses multiples applications possibles pour l’élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques. Les électrons, injectés perpendiculairement à une multicouche hydride MF/I/MF composant une jonction tunnel magnétique (JTM), se polarisent au passage des électrodes magnétiques et traversent la barrière isolante par effet tunnel. La transmission tunnel dépend alors de l'orientation relative des aimantations des deux électrodes magnétiques et des caractéristiques de la barrière tunnel. Les résistances des JTMs varient de plus de 20% sous champ en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre. La réalisation et l’étude de ces systèmes sont d’une importance technologique majeure étant données les applications multiples pour le stockage de l’information, la réalisation de capteurs magnéto-résistifs, etc….. Cependant, depuis 1995, la grande majorité des études a été dédiée à l’optimisation des méthodes de fabrication de la barrière tunnel. En effet, cette partie de la jonction peut être sujette à un grand nombre de défauts : défauts naturels ou artificiels, rugosité de la barrière, inhomogénéité chimique de la barrière, sur- ou sous- oxydation de la barrière. Les effets de.
(110) Introduction générale. xi. certains de ces défauts ont d’ores et déjà été mis en évidence. A l’inverse, depuis le premier modèle de Jullière, peu d’études ont été dédiées au magnétisme des électrodes et à son influence sur la réponse magnéto-résistive des jonctions.. Ce travail de thèse est au centre de ces nouvelles préoccupations et il nous a amené à élaborer des jonctions tunnel magnétiques de taille micronique et à étudier les corrélations entre leurs propriétés magnétiques et le transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Cette corrélation constitue le premier aspect novateur de ce travail de thèse. Il s’est avéré que, grâce à la sensibilité extrême du transport tunnel polarisé en spin aux fluctuations de l’aimantation aux interfaces métal ferromagnétique/oxyde, les jonctions magnétorésistives sont des systèmes idéaux pour étudier sélectivement l'évolution de la structure en domaines des couches ferromagnétiques en contact avec la barrière en fonction du champ magnétique appliqué.. De plus, si de manière générale il est facile de stabiliser des couches magnétiques douces, il est beaucoup plus difficile d'obtenir des coercivités supérieures à la centaine d'Oersted pour des couches uniques non épitaxiées. Les couches sont alors rigidifiées par association avec une couche composée d'un matériau antiferromagnétique ou avec une couche magnétique via un couplage antiferromagnétique. Le second aspect novateur de ce travail de thèse repose sur l'utilisation d'un système antiferromagnétique artificiel comme système magnétiquement dur dans la jonction tunnel magnétique. Ce système est constitué de deux couches magnétiques d’épaisseurs différentes, couplées antiferromagnétiquement à travers une couche non magnétique. Comme nous l’avons montré dans le cadre de ce travail de thèse, les structures AAF permettent d’obtenir une très grande rigidité magnétique bien contrôlée et ajustable avec une grande stabilité thermique (>300°C).. Ce mémoire est organisé de la manière suivante.. Le premier chapitre est une introduction à la physique des jonctions tunnel. Il décrit le cadre général dans lequel s'inscrit ce travail de thèse et les applications des jonctions tunnel dans l'électronique de spin. Ensuite, nous exposerons des aspects théoriques concernant le transport polarisé en spin dans une structure métal ferromagnétique / oxyde / métal ferromagnétique..
(111) Introduction générale. xii. Dans le second chapitre, nous présentons tout d'abord les techniques d'élaboration des jonctions tunnel, notamment la préparation des échantillons à l’aide de la pulvérisation cathodique et la structuration des jonctions par lithographie optique. Puis, nous présentons les techniques de caractérisation des propriétés structurales, magnétiques et de transport des JTMs. Le chapitre 3 présente l’étude de la croissance des empilements multicouches des jonctions tunnel (croissance, oxydation) et leurs propriétés structurales étudiées par les techniques expérimentales décrites dans le chapitre 2.. Le chapitre 4 est dédié à l’étude des propriétés magnétiques des différentes couches d'une JTM, à l'échelle macroscopique et microscopique. Nous nous intéresserons aux propriétés magnétiques des couches uniques, des systèmes AAF et de la couche de détection. Nous mettons plus particulièrement l'accent sur le micromagnétisme de ces systèmes, analysé à l'aide de la microscopie à force magnétique.. Le chapitre 5 est consacré aux propriétés de transport polarisé en spin dans les jonctions tunnel magnétiques. Un accent particulier a été porté sur la corrélation entre le micromagnétisme de l'AAF et la magnétorésistance tunnel. Dans ce chapitre, la JTM est alors utilisée comme une sonde micromagnétique.. Enfin, le chapitre 6 est consacré aux perspectives issues de ce travail de thèse et notamment à la réalisation de nouveaux dispositifs micro- électroniques à base de jonctions tunnel: le transistor magnétique et les mémoires magnétiques non-volatiles. Le développement de ces dispositifs doit être poursuivi en parallèle avec l'étude fondamentale des propriétés magnétiques statiques et dynamiques de petits objets multicouches complexes de taille micronique et submicronique..
(112) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 1. Chapitre 1 Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques 1.1. Introduction L’effet tunnel, interdit par la physique classique, apparaît comme un fait naturel dans la physique quantique. De la même façon qu’une onde électromagnétique incidente sur une lame mince sous un angle plus petit que l’angle qui correspond à la réflexion totale est partiellement transmise, les électrons incidents sur une barrière de potentiel suffisamment mince peuvent être transmis même si leur énergie est plus petite que la hauteur de la barrière. Cette propriété provient de la nature ondulatoire des électrons qui leur est conférée par la mécanique quantique. L’effet tunnel représente alors le passage d’une particule quantique à travers une barrière de potentiel quand l’énergie de la particule ne dépasse pas la hauteur de la barrière. D’un point de vue classique, une particule peut traverser une barrière d’énergie potentielle seulement si son énergie est suffisante pour passer par-dessus la barrière. La notion d’effet tunnel, c’est à dire le passage d’un électron à travers une barrière de potentiel, est apparue en même temps que la mécanique quantique. Dans la mécanique quantique, chaque particule est associée à une fonction d’onde ψ qui décrit la probabilité Ψ(r) de trouver la particule dans l’élément de volume dr, Ψ(r)=ψ ψ* dr. La nature ondulatoire de la particule incidente sur une barrière de potentiel conduit à une probabilité non- nulle de la trouver de l’autre côté de la barrière dans le cas où l’épaisseur de la barrière est plus petite que la longueur d’onde associée à la particule. Toutefois, depuis le premier postulat de l’effet tunnel par Oppenheimer en 1928 [Oppenheimer] et cela jusqu’à ces dernières années, le spin de l’électron a été négligé dans les phénomènes de transport et notamment dans l’effet tunnel. Pourtant, l’implication du spin.
(113) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 2. dans les mécanismes de transport électronique est colossale. L'utilisation du spin de l’électron dans les phénomènes de transport, a ouvert une nouvelle branche en micro-électronique en donnant naissance à ce qu’on appelle l’électronique de spin. L'effet tunnel dépendant du spin a connu un regain d'intérêt avec sa mise évidence à température ambiante et grâce à ses nombreuses applications pour l’élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques. Les électrons, injectés perpendiculairement à une multicouche hybride métal/isolant composant une jonction tunnel magnétique (JTM), se polarisent au passage des électrodes magnétiques et traversent la barrière isolante par effet tunnel. Cette transmission tunnel dépend de l'orientation relative des aimantations des électrodes magnétiques et des caractéristiques de la barrière. Les résistances des JTM varient de plus de 20% sous champ magnétique en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre. Une nouvelle génération de dispositifs électroniques est apparue ces dernières années sur le marché de l’électronique : capteurs, dispositifs non- linéaires comme les jonctions tunnel magnétiques, transistors de spin, mémoires magnétiques non volatiles (MRAM).. 1.2. L’état de l’art Dans le domaine des circuits électroniques, l’utilisation du spin de l’électron est à l’origine de nouveaux dispositifs, notamment basés sur l’utilisation de jonctions tunnel magnétiques. Sous sa forme la plus simplifiée, une JTM est constituée de deux électrodes ferromagnétiques ayant des champs coercitifs différents, qui sont séparées par une barrière isolante. Son fonctionnement combine l’effet tunnel quantique des électrons avec l’asymétrie des densités d’états des bandes électroniques observée pour les deux spins des électrons dans les matériaux ferromagnétiques. En négligeant la diffusion de spin, et donc en supposant que le spin de l’électron est conservé lors du processus tunnel, la probabilité de transmission par effet tunnel pour un électron polarisé en spin dépend de l’orientation relative des aimantations des couches ferromagnétiques. Le fonctionnement d’une JTM est schématisé dans la figure 1.1 en utilisant le modèle de Jullière [Jullière75]. Ce modèle pour la magnétorésistance tunnel est basé sur la notion de polarisation P des. métaux ferromagnétiques définie comme la. différence relative des densités d’état au niveau de Fermi pour les deux bandes de spin:.
(114) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 3. n ↑ ( EF ) − n ↓ ( E F ) P= ↑ n ( EF ) + n ↓ ( EF ). E. n1↑. (1.1). n1↓. n2 ↑. E. n2↓ R ↑ - faible. EF. eV. EF R ↓- élevée V MF2. I. MF1. V n1↑. E. n1↓. n2↑ E. n2↓ R ↑- élevée. EF. eV. EF R ↓- élevée V. Figure 1.1. Effet tunnel entre deux métaux ferromagnétiques séparés par une barrière isolante rectangulaire, déformée par une tension électrique appliquée V. Les densités d’états n1↑(E), n1↓(E), n2↑(E) et n2↓(E) sont schématisées dans cette figure par des paraboles décalées en énergie par l’échange. En considérant que le spin de l’électron est conservé lors du processus tunnel, les électrons de spin up et de spin down peuvent traverser la barrière tunnel de manière indépendante. Alors, la conduction électrique dans une jonction tunnel peut être modélisée par un réseau de deux résistances électriques connectées en parallèle, chaque résistance correspondant à un canal de spin. La résistance totale de la jonction tunnel est analysée dans les situations pour lesquelles les aimantations dans les deux électrodes se trouvent dans une configuration parallèle ou antiparallèle.. Ce modèle suppose que la conduction s’effectue par deux canaux de spin indépendants et que la conductivité est proportionnelle au produit des densités d’états libres et occupées de chaque côté de la barrière sans tenir compte de la probabilité de transmission par effet tunnel pour les électrons de chaque direction de spin..
(115) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 4. On définit alors la magnétorésistance par :. TMR =. R ap − R p Rp. =. J p − J ap J ap. =. (n1↑ n 2↑ + n1↓ n 2↓ ) − (n1↑ n 2↓ + n1↓ n 2↑ ) ↑ 1. ↓ 2. ↓ 1. ↑ 2. (n n + n n ). =. 2 P1 P2 1 − P1 P2. (1.2). Dans une configuration parallèle des aimantations des deux matériaux ferromagnétiques (MF), les densités d’états de spin up, n1↑ (E) et n2↑ (E) sont majoritaires dans chacune des électrodes MF1 et MF2. La transmission des électrons de spin up ( notation : ↑ ; σ = | + >) se fait entre des états majoritaires de chaque coté de la barrière, ce qui détermine un courant de spin important et donc une faible résistance de la jonction tunnel pour ce canal de spin. Les densités d’états de spin down, n1↓ (E) et n2↓ (E) ( notation : ↓ ; σ = | − > ), sont minoritaires dans chacune des électrodes ferromagnétiques, ce qui détermine un courant de spin faible ainsi qu’une résistance élevée pour ce canal de spin. La résistance totale de la jonction provient de la mise en parallèle des résistances des deux canaux de spin. Ainsi, pour une configuration parallèle des aimantations, la résistance de la jonction tunnel est faible.. Dans la configuration antiparallèle des aimantations, les électrons traversent la barrière par effet tunnel des états n1↑ (E) majoritaires respectivement n1↓ (E) minoritaires dans l’électrode MF1 vers des états n2↑ (E) minoritaires respectivement n2↓ (E) majoritaires dans l’électrode MF2 pour les canaux de conduction correspondant aux électrons ayant le spin up respectivement spin down . Les résistances électriques correspondant à chaque canal de spin sont alors élevées et donc la résistance totale de la jonction est élevée. Dans le mécanisme de fonctionnement d’une jonction tunnel décrit ci-dessus, le facteur clé pour contrôler l’orientation relative des aimantations dans les électrodes magnétiques est la rigidité magnétique différente des deux électrodes (champs coercitifs différents). Dans une architecture appelée douce-dure, une des couches magnétiques est magnétiquement dure alors que l’autre est magnétiquement douce..
(116) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 5. (1). (a). M M 1+M 2. (2) Hc2 Hc1. H. – M 1+ M 2. (3). (4) – M 1 – M2. (b) (2). R haute. (3). R (4). (1). R basse. H Hc2. Hc1. Figure 1.2. Fonctionnement d’une jonction tunnel magnétique idéale. Les deux électrodes magnétiques ont des champs coercitifs différents (Hc2>Hc1) et leurs cycles d’aimantation sont supposés parfaitement carrés. A partir du cycle d’aimantation total M-H (a), on peut estimer l’allure du cycle de magnétoresistance R-H (b). Les schémas (1) - (4) montrent la configuration magnétique des électrodes dans la jonction tunnel, pour des valeurs représentatives du champ magnétique.. Dans des champs magnétiques plus faibles que le champ coercitif de la couche dure, cette couche est magnétiquement rigide. Par contre, l’aimantation de la couche douce va être.
(117) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 6. sensible au champ magnétique extérieur, et par conséquent elle va pouvoir basculer entre une configuration parallèle ou antiparallèle à l'aimantation de la couche dure, par l’intermédiaire d’un champ appliqué.. Une description du fonctionnement d’une jonction tunnel magnétique idéale est donnée dans la figure 1.2. Le comportement magnétique des électrodes magnétiques est considéré comme idéal c’est à dire que les cycles d’aimantation sont parfaitement carrés. Dans un champ magnétique positif, les deux couches magnétiques sont saturées dans la direction du champ positif (état (1), figure 1.2(a)). Cette configuration correspond à une orientation parallèle des aimantations des électrodes et donc à une résistance tunnel faible (état (1), figure 1.2 (b)). En renversant le champ magnétique appliqué, l’état parallèle de faible résistance est conservé jusqu’au renversement du moment magnétique de la couche douce qui se fait d’une manière abrupte au champ coercitif négatif −Hc1. La couche magnétiquement dure reste toujours rigide, parallèle à la direction initiale du champ positif tant que le champ négatif appliqué n’est pas inférieur à −Hc2 . Ainsi, les couches magnétiques se trouvent dans un arrangement antiparallèle ce qui correspond à un état de résistance tunnel élevée de la jonction (état (2), figure 1.2 (b)). Quand le champ négatif dépasse le coercitif de la couche dure, H< −Hc2, l’aimantation de la couche dure se renverse dans la direction du champ magnétique négatif appliqué. Les aimantations passent donc dans une configuration parallèle (état (3), figure 1.2 (b)) et par conséquent la jonction tunnel bascule vers un état de faible résistance tunnel (état (3), figure 1.2 (b)).. 1.3. Applications des jonctions tunnel magnétiques L’intérêt porté sur ces phénomènes de transport dépendant du spin est fortement motivé par ses applications industrielles pour le stockage de l’information et pour les différents capteurs de champ magnétique qu’il est possible de réaliser. 1.3.1. Capteurs magnétorésistifs Les capteurs magnétorésistifs couvrent une très large gamme d’applications comme les détecteurs de champ magnétique, les capteurs de position, les encodeurs, les tachymètres, les interrupteurs de proximité... ou encore les têtes de lecture magnétiques pour disques durs. Grâce à une très grande sensibilité du courant tunnel à l’orientation relative des électrodes.
(118) Chapitre 1. Introduction à la physique des jonctions tunnel magnétiques. 7. magnétiques, accompagnée d’une valeur élevée de l’impédance de la JTM par rapport aux autres capteurs classiques « tout métaux », les jonctions tunnel magnétiques sont des candidats idéaux pour la réalisation de tels capteurs.. Hrot R θ. M2. Rap. FM2 I M1. Rp. FM1. θ 0. π. 2π. Figure 1.3. Jonction tunnel magnétique utilisée comme capteur de position angulaire. La résistance tunnel de la jonction dépend de l’orientation relative des aimantations des deux couches ferromagnétiques. Elle est minimale dans une configuration parallèle et maximale dans une configuration antiparallèle des aimantations.. Prenons l’exemple d’un capteur de position angulaire basé sur l’utilisation d’une JTM. Ce capteur est placé dans un champ magnétique rotatif dont l’intensité est telle que la couche dure reste parfaitement rigide et alignée dans une direction fixe alors que l’aimantation de la couche douce suit la direction du champ rotatif. L’angle entre l’aimantation de la couche dure et de celle de la couche douce peut être ajusté par la direction du champ magnétique extérieur appliqué. Ainsi, l’impédance de la jonction tunnel reflète la direction du champ magnétique extérieur par rapport à la direction de l’aimantation de la couche dure . Cette propriété permet d’utiliser la jonction tunnel comme capteur de position angulaire (figure 1.3). Un aimant permanent est fixé sur une pièce mobile dont la position angulaire est à déterminer. Cet aimant crée un champ magnétique suffisamment fort pour faire tourner la couche douce d’une jonction tunnel qui est fixée à proximité de l’aimant tournant et suffisamment faible pour préserver la direction de la couche dure. La valeur de la résistance électrique de la jonction donne deux positions angulaires possibles de la pièce mobile pour une résistance donnée. Un montage plus sophistiqué utilisant 2 JTMs d’axes de facile aimantation croisés permet de déduire directement l’angle α (figure 1.3)..
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