la magnétorésistance géante
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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. Ta (50 Å ) . Ru (50 Å) . IrMn (60 Å). NiFe (20 Å). Al 2 O 3 (9 Å). CoFe (20 Å). Ru (8 Å). CoFe (20 Å). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
La magnétorésistance géante
Histoire d’une découverte
P. Grünberg1939
Prix Nobel de Physique2007
A. Fert 1938
Prix Nobel de Physique
2007
1988
Fe
FeCr
et de ses applications
PtMn (200 Å)
CoFe (20 Å)
NiFe (20Å)IrMn (60Å)Ru (50 Å) Ta (50 Å)
Al2O3 (9 Å)
CoFe (20 Å)Ru (8 Å)
Ta (100 Å)
Élément de mémoire MRAMutilisant la TMR 2008
Capteur GMR dans une tête de lecture de disque dur 1997
de la magnétorésistance géante (GMR) à l’électronique de spin
Histoire d’une découverte
F. HippertProfesseur à Phelma
spintronique
L’électron a une charge électrique (-e avec e >0)
Au moment cinétique est associé un moment magnétique qui lui est proportionnel
J. J. Thomson1856-1940Prix Nobel
de Physique 1906
W. Pauli1900-1958Prix Nobel
de Physique 1945
SPIN
Origine quantique S
P. Dirac1902-1984Prix Nobel
de Physique 1933
et un moment cinétique intrinsèque
Cours de Physique Quantique
Deux états possibles de la composante selon un axe OzzS
ouup downe e
z
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
1-1 : Notions de transport électronique
Partie 1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1-2 : Notions de magnétisme
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
Conduction dans un métal en ignorant le spin
Cristal imparfait : impureté Collision élastique sur l’impureté
Cristal parfait
1-1 : Notions de transport électronique
Collision due aux vibrations atomiques
Cu = un cristal d’ions Cu+
et des électrons “libres” délocalisés
Cristal imparfait : vibration atomique
Conduction dans un métal en ignorant le spin
Cu v0 = 1.6 106 m.s-1 à 4 K = 2 10-9 s l = 3.2 mm à 300 K = 2.7 10-14 s l = 43 nm
τvl 0
Temps moyen entre deux collisions : temps de diffusion
Distance moyenne entre deux collisions : libre parcours moyen
τl
1-1 : Notions de transport électronique
l
En l’absence de champ électrique : vitesse moyenne nulle
0v0
Conduction dans un métal en ignorant le spin
0vv
1-1 : Notions de transport électronique
Em τev
La charge de l’électron est -e avec e >0
En présence d’un champ électrique : vitesse moyenne non nulle
Ev
v
v en j
Conduction dans un métal en ignorant le spin
Densité de courant A.m-2
j
1-1 : Notions de transport électronique
n: nombre d’électrons « libres » participant au transport
E
v
E ρ1E σE
m τen j
2
σ conductivité résistivité
S LρR LS
j
S jI
Conduction dans un métal en tenant compte du spin
Les électrons up et down conduisent le courant indépendamment
N. Mott1905-1996Prix Nobel
de Physique 1977
e e ee
ou
Lorsque les processus de renversement du spin (spin flip)
τ τ sf se produisent au bout d’un temps
idée
σσ σ jj j
Mott (1936) : Modèle à deux courants
1-1 : Notions de transport électronique
Conséquences du modèle à deux courants
On peut ignorer le spin On ne peut pas ignorer le spin
j = j
σσ ττ
e
e
E
j
j
et τ τ τ sf
Cas du fer
j > j
σσ ττ
Cas du cuivre
e
e
E
j
j
τ τ sf
Preuve expérimentale :Thèse A. Fert (I. Campbell)Orsay 1970
1-1 : Notions de transport électronique
σσ σ ρ1
ρ1
ρ1
1-1 : Notions de transport électronique
I > II
I
r
R
Conséquences du modèle à deux courants pour la conduction dans le fer
jj j
ρρσσj > j
1-1 : Notions de transport électronique
Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ?
Le fer est un métal ferromagnétique
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
- En dessous d’une température critique Tc ,
en champ appliqué nul, tous les moments sont parallèles
1-2 : Notions de magnétisme
- Il existe des atomes porteurs d’un moment magnétique
Existence d’un moment macroscopique spontané
ferromagnétisme
at
M = N at
Qu’est ce qu’un matériau ferromagnétique ?
1-2 : Notions de magnétisme
0.287 nm
Structure du fer Tc = 1043 K
à 300 K at= 2 B par atome de Fer B = 9.274 10-24 A.m2
Le fer : un exemple de métal ferromagnétique
Les électrons d restent localisés.Responsables de l’existence
du moment magnétiquelocalisé sur chaque atome de fer
Les électrons s sont “libres”. Responsables du caractère métallique
Fer : [Ar] 4s2 3d6
at
Autres métaux ferromagnétiques : Ni, Fe80Ni20 (permalloy), Co
Conduction dans un métal ferromagnétique (Fe, Ni, Co)
Leur sens up ou down est défini par leur orientation par rapport au moment ferromagnétique
ρρσσ ττ
Les électrons s conduisent le courant électrique
1-2 : Notions de magnétisme
e
parallèle à
M
anti parallèle à
e Mup down
Induction magnétique B : ordre de grandeur
1-2 : Notions de magnétisme
1Gauss = 10-4 Tesla
En laboratoire on sait produire B de 0 à 20 T
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
Champ terrestre 5 10-5 T
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
a : La découverteb : principe de la GMR
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
Qu’est ce que la magnétorésistance ?
Le fait que la résistance dépende du champ appliqué
0R 0)R(B R(B)
Avant 1988 : dans les matériaux ferromagnétiques « massifs »Phénomène de magnétorésistance anisotrope (AMR)
K 300 à T10 Bpour % 3 à 2 RR(B)-R 3
0
0
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
1988 : découverte indépendante et simultanée à Orsay et à Jülich
d’un effet de magnétorésistance géante (GMR)
2075 citations
Fe métal ferromagnétique 3 nmCr métal non magnétique 0.9 nm Bicouche répétée 60 fois
Epaisseur totale : 230 nm
GMRK 4.2 à % 082T) R(B
T) 2R(B-R 0
V
I
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
B = 0 B > Bs
ap0 R R pR
Etat anti parallèle
Magnetic field (kG)
Etat parallèleB < - Bs
Etat parallèle
pR
T = 4.2 K
1988 A. Fert
80R
RR
p
pap .
Bs= 2 T
T = 4.2 K
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
Bs 10 kG = 1 T
667 citations
Fe 1.2 nmCr 1 nm Tricouche
Brevet Avril 1988
Epaisseur : 3.2 nm
1-3-a : La Magnétorésistance géante / La découverte
K 300 à T 0.15 Bpour % 1.5 R
RR s
p
pap
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
a : La découverteb : principe de la GMR
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
Quels ingrédients nécessaires ?
alternance de couches de métal ferromagnétique et de métal normal Fe / Cr Co / Cr Ni80Fe20 / Ag
ρρDans le métal ferromagnétique :
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Une multicouche :
Epaisseur totale << sf0 τv
Comment choisir les matériaux , les épaisseurs ? Quelle influence des interfaces ?
Quels ingrédients nécessaires ?
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Etat parallèle de la multicouche
Un couplage entre les moments des couches ferromagnétiques successives tel que en champ nul
B
Sous champ B > Bs
Etat antiparallèle de la multicouche
Transport dans une multicouche
e Etat anti parallèle de la multicouche
e et e définis par rapport au moment de la première couche traversée
I = I
e
e
I > I
e
e
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
ee
Etat parallèle de la multicouche
Calcul de la GMR
rRr R 2 R p
2
rR R ap
rR
1rR
1 R1
ap
r 21
R 21
R1
p
pap R R
α 4)1-α(
r R 4)rR(
RRR
22
p
pap
rRα avec
a : asymétrie de spinpropriété du ferromagnétique
+ INTERFACES
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
e
e
R
R
r
r RR
e
e
r r
en champ nul ?
711 citations
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
1986 P. Grünberg
Pourquoi
Il existe une énergie de couplage entre les moments des couches ferromagnétiques
successives via la couche métallique non magnétique
21. -JE MM
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
1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR
Si J >0, en champ nul M1
M2
Si J >0, sous champ sB B M1
M2
B
Contrôle des épaisseurs
1-1 : Notions de transport électronique
1-2 : Notions de magnétisme
a : La découverteb : principe de la GMR
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
c : l’histoire de la GMR à Orsay
1- 3 : La magnétorésistance géante dans les multicouches
1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
Pourquoi 1988 à Orsay ?
Dès 1970 (thèse A. Fert) : dans un métal ferromagnétique ρρ
Pour exploiter cette différence de résistivité dans une multicoucheIl faut que les épaisseurs des couches < quelques nm
1 nm Cr = 3 couches atomiques
1/ la possibilité de réaliser les multicouchesavec des interfaces de qualité suffisante 1988
2/ l’existence du couplage d’échange connueP. Grünberg 1986
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
machine d’épitaxie à jet moléculaire
En 1988 une machine d’épitaxie existait au laboratoire central de Thomson
Techniques de dépôt sous ultra-vide
couche par couche
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
A. Fert en 2003Médaille d’or du CNRS
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.
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 structurauxet la rugosité des interfaces ne détruisent le contraste entre et en introduisant par exemple des mécanismes qui « flippent » le spin
A. Fert en 2008Discours lors de la remise
du Prix Nobel
La chance a été que les interfaces ajoutent une diffusion qui dépend du spin comme celle à l’intérieur de la couche de Fe
1-3-c : La Magnétorésistance géante / l’histoire de la GMR à Orsay
1-1 : Notions de transport électronique
1- 3 : Qu’est ce que la magnétorésistance géante ?
1-2 : Notions de magnétisme
1- 4 : Vers les applications : la vanne de spin
1 / La magnétorésistance géante : histoire d’une découverte
Vers les applications.......
Epitaxie à jet moléculaire
Dépôt lent impossible à utiliser pour une production de masse
1988 A. Fert / P. Grünberg
Dépôt par technique de pulvérisation
ça marche !!!
1990 S.S.P. Parkin (IBM Almaden, USA)(Fe/Cr, Co/Ru et Co/Cr)
Peut on obtenir un effet GMR important à température ambiante et dans un champ faible ?
1991
B. Dieny et al (IBM Almaden, USA)
OUI !!!
1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin
545 citations
Vanne de spin
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)
1-3-d : La Magnétorésistance géante / La vanne de spin
1Oe = 1G = 10-4 T
Dieny et al 1991
Couche ferromagnétique libre Ni80Fe20 15 nm
Couche ferromagnétique « piégée » Ni80Fe20 15 nmCouche métallique non magnétique (Cu 2 nm)
Couche antiferromagnétique (FeMn 7 nm) : son rôle est de bloquer l’aimantation de la couche ferromagnétique
ou
% 2 R
R-R
P
PAP
Changement d’état parallèle à anti parallèle en champ très faible
K 300 à T 10-4
RP
RAP 20%
La magnétorésistance géante (GMR)
1/ Histoire d’une découverte
3/ De la magnétorésistance géante à l’électronique de spin
2 / Les applications de la GMR
PAUSE