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La magnétorésistance géante Histoire d’une découverte 1988 A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique 2007 P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007 Fe Cr Fe Histoire d’une découverte et de ses applications de la magnétorésistance géante (GMR) à l’électronique de spin Capteur GMR dans une tête de lecture de disque dur 1997 spintronique Ta (50 Å) Ru (50 Å) IrMn (60Å) NiFe (20Å) Al2O3 (9 Å) CoFe (20 Å) Ru (8 Å) CoFe (20 Å) PtMn (200 Å) Ta (100 Å) F. Hippert Professeur à Phelma Élément de mémoire MRAM utilisant la TMR 2008 L’électron a une charge électrique (-e avec e >0) et un moment cinétique intrinsèque SPIN Origine quantique J. J. Thomson 1856-1940 Prix Nobel de Physique 1906 W. Pauli 1900-1958 Prix Nobel de Physique 1945 Deux états possibles de la composante z Cours de Physique Quantique up Ŝ z P. Dirac 1902-1984 Prix Nobel de Physique 1933 selon un axe Oz down ou e ̂ S e Au moment cinétique est associé un moment magnétique qui lui est proportionnel En électronique conventionnelle la charge est manipulée par des champs électriques Le spin de l’électron est ignoré L’électronique de spin manipule la charge et le spin des matériaux particuliers Partie 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin Cristal parfait Cristal imparfait : impureté Cu = un cristal d’ions Cu+ et des électrons “libres” délocalisés Collision élastique sur l’impureté Cristal imparfait : vibration atomique Collision due aux vibrations atomiques 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin l Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion τ l v0 τ Cu v0 = 1.6 106 m.s-1 à4K = 2 10-9 s à 300 K = 2.7 10-14 s l = 3.2 mm l = 43 nm l 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin En l’absence de champ électrique : vitesse moyenne nulle v0 0 En présence d’un champ électrique : vitesse moyenne non nulle v eτ v E m E v v v0 La charge de l’électron est -e avec e >0 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en ignorant le spin E v j Densité de courant A.m-2 j n e v n: nombre d’électrons « libres » participant au transport n e2 τ 1 j EσE E m ρ j σ conductivité S L I jS R ρ L S résistivité 1-1 : Notions de transport électronique Conduction dans un métal en tenant compte du spin Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip) ou e e se produisent au bout d’un temps e e N. Mott 1905-1996 Prix Nobel de Physique 1977 τ sf τ Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment j j j σ σ σ Mott (1936) : Modèle à deux courants idée 1-1 : Notions de transport électronique Conséquences du modèle à deux courants Cas du cuivre Cas du fer τ τ σ σ τ τ σ σ τ sf τ τ sf τ et τ e e e e E Preuve expérimentale : Thèse A. Fert (I. Campbell) Orsay 1970 E j j j j j = j On peut ignorer le spin j > j On ne peut pas ignorer le spin 1-1 : Notions de transport électronique Conséquences du modèle à deux courants pour la conduction dans le fer j j j j > j σ σ σ σ σ ρ ρ I r I R I > I 1 1 1 ρ ρ ρ 1-1 : Notions de transport électronique Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ? Le fer est un métal ferromagnétique 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-2 : Notions de magnétisme Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ? - Il existe des atomes porteurs d’un moment magnétique at - En dessous d’une température critique Tc , en champ appliqué nul, tous les moments sont parallèles Existence d’un moment macroscopique spontané M = N at ferromagnétisme 1-2 : Notions de magnétisme Le fer : un exemple de métal ferromagnétique Les électrons s sont “libres”. Responsables du caractère métallique Fer : [Ar] 4s2 3d6 Les électrons d restent localisés. Responsables de l’existence du moment magnétique localisé sur chaque atome de fer at Tc = 1043 K à 300 K at= 2 B par atome de Fer Structure du fer B = 9.274 10-24 A.m2 0.287 nm Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe80Ni20 (permalloy), Co 1-2 : Notions de magnétisme Conduction dans un métal ferromagnétique (Fe, Ni, Co) Les électrons s conduisent le courant électrique Leur sens up ou down est défini par leur orientation par rapport au moment ferromagnétique up e anti parallèle à down parallèle à M e τ τ σ σ ρ ρ M 1-2 : Notions de magnétisme Induction magnétique B : ordre de grandeur En laboratoire on sait produire B de 0 à 20 T Champ terrestre 5 10-5 T 1Gauss = 10-4 Tesla Champ lu par une tête de lecture d’un disque dur : 0.01 T Champ créé par une tête d’écriture d’un disque dur : < 1 T 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte Qu’est ce que la magnétorésistance ? Le fait que la résistance dépende du champ appliqué R(B) R(B 0) R 0 Avant 1988 : dans les matériaux ferromagnétiques « massifs » Phénomène de magnétorésistance anisotrope (AMR) R 0 - R(B) 2 à 3 % pour B 10 3 T à 300 K R0 1988 : découverte indépendante et simultanée à Orsay et à Jülich d’un effet de magnétorésistance géante (GMR) 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 2075 citations R 0 - R(B 2 T) 80 % à 4.2 K R(B 2T) GMR V I Cr métal non magnétique 0.9 nm Fe métal ferromagnétique 3 nm Bicouche répétée 60 fois Epaisseur totale : 230 nm 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 1988 A. Fert T = 4.2 K T = 4.2 K Bs= 2 T R ap R p Rp Bs Magnetic field (kG) B < - Bs Etat parallèle Rp B=0 Etat anti parallèle R 0 R ap 10 kG = 1 T B > Bs Etat parallèle Rp 0 .8 1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte 667 citations R ap R p Rp 1.5 % pour Bs 0.15 T à 300 K Cr 1 nm Fe 1.2 nm Tricouche Epaisseur : 3.2 nm Brevet Avril 1988 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Quels ingrédients nécessaires ? alternance de couches de métal ferromagnétique et de métal normal Fe / Cr Co / Cr Ni80Fe20 / Ag Dans le métal ferromagnétique : ρ ρ Une multicouche : Epaisseur totale << v0 τsf 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Quels ingrédients nécessaires ? Un couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives tel que en champ nul Etat antiparallèle de la multicouche Sous champ B > Bs Etat parallèle de la multicouche B Comment choisir les matériaux , les épaisseurs ? Quelle influence des interfaces ? 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Transport dans une multicouche e e e Etat anti parallèle de la multicouche Etat parallèle de la multicouche e et e définis par rapport au moment de la première couche traversée e e e e I = I I > I 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Calcul de la GMR e e r R R r e e r R R 1 1 1 Rp 2 R 2r 1 1 1 R ap R r R r R ap r R r Rp 2 2R r Rr R ap R p R ap R p Rp (R r ) 2 4R r (α -1) 2 4α R avec α r a : asymétrie de spin propriété du ferromagnétique + INTERFACES 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Pourquoi en champ nul ? 1986 P. Grünberg 711 citations 1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR Il existe une énergie de couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives via la couche métallique non magnétique E -J M1.M2 Si J >0, en champ nul Si J >0, sous champ B Bs M2 M1 M2 M1 B Le signe de J dépend de l’épaisseur du métal normal Pour le Cr J < 0 pour 0.9 nm J > 0 pour 2 nm Contrôle des épaisseurs 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches a : La découverte b : principe de la GMR c : l’histoire de la GMR à Orsay 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Pourquoi 1988 à Orsay ? Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique ρ ρ Pour exploiter cette différence de résistivité dans une multicouche Il faut que les épaisseurs des couches < quelques nm 1 nm Cr = 3 couches atomiques 1988 1/ la possibilité de réaliser les multicouches avec des interfaces de qualité suffisante 2/ l’existence du couplage d’échange connue P. Grünberg 1986 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay machine d’épitaxie à jet moléculaire Techniques de dépôt sous ultra-vide couche par couche En 1988 une machine d’épitaxie existait au laboratoire central de Thomson Le premier enseignement que je tire de l’aventure est que les avancées technologiques ont en général des racines très anciennes en recherche fondamentale. La magnétorésistance géante et l’électronique de spin ne sont pas nées par génération spontanée en 1988. Dans les années 30, le prix Nobel de physique Sir Nevill Mott avait déjà proposé que le spin intervienne dans la conduction électrique. La confirmation expérimentale et le développement de modèles datent des années 1970 (Orsay (A. Fert / I. Campbell), Strasbourg, Eindhoven)........... Mais fabriquer des structures artificielles à l’échelle du nanomètre était impensable à l’époque. Le passage à la GMR et à l’électronique de spin est ensuite venu de la conjonction des idées de physique fondamentale que nous avions développées vers 1970 et des progrès des techniques d’élaboration de nanostructures au milieu des années 80. A. Fert en 2003 Médaille d’or du CNRS 1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay Pouvait on prévoir l’amplitude de l’effet GMR ? Oui et non Oui sur la base des travaux des années 1970 Mais on pouvait craindre que les défauts structuraux et la rugosité des interfaces ne détruisent le contraste entre et en introduisant par exemple des mécanismes qui « flippent » le spin La chance a été que les interfaces ajoutent une diffusion qui dépend du spin comme celle à l’intérieur de la couche de Fe A. Fert en 2008 Discours lors de la remise du Prix Nobel 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte 1-1 : Notions de transport électronique 1-2 : Notions de magnétisme 1- 3 : Qu’est ce que la magnétorésistance géante ? 1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin Vers les applications....... 1988 A. Fert / P. Grünberg Epitaxie à jet moléculaire Dépôt lent 1990 impossible à utiliser pour une production de masse S.S.P. Parkin (IBM Almaden, USA) Dépôt par technique de pulvérisation (Fe/Cr, Co/Ru et Co/Cr) ça marche !!! 1991 Peut on obtenir un effet GMR important à température ambiante et dans un champ faible ? OUI !!! B. Dieny et al (IBM Almaden, USA) 1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin Vanne de spin 545 citations 1/ Effet GMR entre deux couches ferromagnétiques NON couplées Augmenter l’épaisseur de la couche de métal normal : Cu 2 nm 2/ Bloquer la direction de l’aimantation d’une des couches ferromagnétiques par interaction avec une sous-couche adaptée (antiferromagnétique) Changement d’état parallèle à anti parallèle en champ très faible 10 -4 T à 300 K RAP R AP - R P 2% RP 20% RP 1Oe = 1G = 10-4 T Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) : son rôle est de bloquer l’aimantation de la couche ferromagnétique ou Couche ferromagnétique « piégée » Ni80Fe20 15 nm Couche métallique non magnétique (Cu 2 nm) Couche ferromagnétique libre Ni80Fe20 15 nm Dieny et al 1991 La magnétorésistance géante (GMR) 1/ Histoire d’une découverte PAUSE 2 / Les applications de la GMR 3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin
