Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Métaux ferromagnétiques pour la spintronique

Relation entre propriétés magnétiques et structurales des matériaux.
Contact : nicolas.biziere@cemes.fr

Le magnétisme dans la matière est intrinsèquement dépendant des propriétés structurales du matériau étudié. Ainsi notre équipe étudie le lien étroit entre les propriétés magnétiques statiques et dynamiques des métaux ferromagnétiques et leur structure atomique, en particulier le degré de désordre chimique. Pour cela nous combinons différentes méthodes expérimentales : la résonance ferromagnétique et l’excitation d’ondes de spins pour les propriétés magnétiques (aimantation, anisotropie, relaxation dynamique…), l’analyse par diffraction de rayon X et la microscopie électronique en transmission pour l’analyse structurale et l’imagerie des états magnétiques et enfin l’irradiation ionique pour le contrôle du degré de désordre du matériau.

A titre d’exemple nous avons récemment développé une approche expérimentale originale permettant de suivre pour la première fois l’influence de différents types de désordre atomique sur les propriétés magnétiques de l’alliage d’Heusler Co2MnSi. Il est prédit que ce matériau soit polarisé en spin à 100% dans sa phase la plus ordonnée (type L21), ce qui s’accompagne d’un très faible coefficient d’amortissement dynamique. Ces propriétés sont particulièrement attractives pour le développement de dispositifs en spintronique tel que des jonctions tunnels ou des oscillateurs radiofréquences à transfert de spins. Cependant ces propriétés sont rarement observées expérimentalement.

Notre équipe a ainsi étudié l’effet du désordre chimique entre sites Mn/Si (type B2) et Co/Mn (type D03) sur les propriétés magnétiques statiques et dynamiques de cet alliage. Pour cela, nous avons fait croitre par pulvérisation cathodique une fine couche de 40 nm d’épaisseur sur un substrat de MgO. Ensuite, en bombardant le matériau avec des ions He+ à une énergie de 150 KeV, nous avons induit des zones ordonnées B2 ainsi que des zones de type L21 avec un désordre de type Co/Mn distribué aléatoirement dans la matrice L21 (Figure 1). Les mesures FMR ont ainsi permis de mettre en évidence une diminution de l’aimantation accompagnée d‘une augmentation de l’anisotropie cristalline et du facteur de relaxation dynamique du matériau liés à la présence de désordre entre site de Co et de Mn. Des calculs ab-initio que nous avons menés montrent que ces effets sont liés à l’augmentation de la densité d’état des spins minoritaires au niveau de Fermi ainsi qu’à l’augmentation du moment orbital avec le désordre. Au contraire, le désordre de type B2 ne modifie pas la valeur de l’aimantation ni de l’anisotropie par rapport à la phase ordonnée L21. En revanche le coefficient de relaxation dynamique dans cette phase partiellement désordonnée semble plus important que dans la phase ordonnée, ce qui peut s’expliquer par la non-homogénéité de cette phase dans le matériau.

Figure 1 : a) Image STEM-HADDF d’un alliage Co2MnSi. b) Evolution du pourcentage de désordre en fonction de la fluence d’ions He+ à 150 KeV. c) Evolution du spectre d’absorption FMR à 17 GHz en fonction de la fluence.

Nous nous intéressons également à l’évolution des états magnétiques de nanofils cylindriques en fonction des propriétés géométriques et structurales des matériaux. L’intérêt des nano-cylindres est la possibilité de propager des parois magnétiques avec un faible courant électrique ou un faible champ magnétique. Pour cela nous fabriquons par électrodéposition des nanofils dans des membranes de polycarbonate (collaboration avec le laboratoire LSI, Ecole Polytechnique – Palaiseau) puis nous observons les états rémanents par holographie électronique (en collaboration avec le groupe I3EM) après saturation par un fort champ magnétique appliqué dans différentes directions. Nous comparons ensuite les images de phases magnétiques expérimentales avec celles calculées à partir de simulations micro magnétiques qui prennent en compte la géométrie de la structure observée par microscopie électronique.

Cette approche expérimentale combinant holographie électronique et calcul micro magnétique nous a permis de montrer l’évolution de la structure d’une paroi magnétique dans des nano-cylindres de Nickel de quelques dizaines de nanomètre de diamètre (Figure 2). Après saturation de l’aimantation dans la direction perpendiculaire au fil, nous obtenons à la rémanence une paroi transverse si le diamètre est inférieur à environ 60 nm ou une paroi transverse asymétrique pour des diamètres supérieurs.

Figure 2 : (A gauche) Image en transmission d’un nanofil de 55 (a) et 85 (d) nm de diamètre. Images de phases magnétiquse expérimentales (b,e) et simulées (c,f) pour chaque fil. La configuration micro magnétique est présentée sur la figure de droite.

Nous avons également démontré récemment que des multicouches de Co/Cu de quelques nanomètres d’épaisseur pouvaient transiter entre des états mono-domaines couplés de façon antiparallèle à des états vortex par simple application d’un champ de saturation dans la direction soit perpendiculaire, soit parallèle à l’axe du nanofil. En corrélant l’étude des états magnétiques avec les propriétés structurales du matériau, nous avons montré que cette transition est permise du fait du caractère poly-cristallin des couches de cobalt, ce qui diminue l’anisotropie moyenne de chaque couche, combiné avec la présence d’impuretés de cuivre dans le cobalt ce qui diminue les valeurs de sa constante d’échange et de son aimantation. Ainsi il est possible d’envisager des oscillateurs à transfert de spins présentant deux fréquences de travail bien distinctes.

Figure 3 : Image en transmission (a) et par EFTEM (b) des couches de Co/Cu. Image de phase expérimentales (c,d) et calculées (e,f) après application d’un champ de saturation parallèle ou perpendiculaire à l’axe du fil. Simulation micromagnétique des états vortex (g) et antiparallèle (h) rémanents.

Références :
• Evolution of magnetic properties and damping coefficient of Co2MnSi Heusler alloy with Mn/Si and Co/Mn atomic disorder. I. Abdallah, B. Pradines, N. Ratel-Ramond, G. BenAssayag, R. Arras, L. Calmels, J.F. Bobo, E. Snoeck and N. Biziere, Journal of physics D, 50, 035003, 2017.
• Structural and magnetic properties of He+ irradiated Co2MnSi Heusler alloys. I. Abdallah, N. Ratel-Ramond, CMagen, B. Pecassou, R. Cours, A.Arnoult, M. Respaud, J.F Bobo, G. BenAssayag, E. Snoeck and N. Biziere, Material Research Express 3, 046101, 2016.
• Magnetic Configurations in Co/Cu Multilayered Nanowires : Evidence of Structural and Magnetic Interplay. D. Reyes, N. Biziere, B. Warot-Fonrose, T. Wade, and C. Gatel,, Nanoletters 16, 1230, 2016.
• Imaging the Fine Structure of a Magnetic Domain Wall in a Ni Nanocylinder. N. Biziere, C. Gatel, R. Lassalle-Balier, M-C. Clochard, J.E. Wegrowe, E. Snoeck, NanoLetters, 13, 2053, 2013.