Effets thermoélectriques anisotropes dans les couches minces ferromagnétiques Py et YIG

Depuis la découverte de la magnétorésistance géante, les applications de l’électronique de spin se sont développées sous l’impulsion de l’industrie électronique avec des fonctionnalités de plus en plus diversifiées. Les applications vont des capteurs magnétiques intégrés aux mémoires RAM magnétorésistives non-volatiles, en passant par les circuits logiques magnétiques (« Magnetic Logic Units » ou MLU). L’utilisation de l’électronique de spin s’inscrit pleinement dans la feuille de route actuelle du développement de la nanoélectronique, dont l’objectif à terme n’est plus de poursuivre l’intégration extrême ou d’augmenter les vitesses de calcul, mais de multiplier les fonctionnalités des composants. En particulier, il existe une demande des industriels pour le développement des dispositifs du type « nomades » (qui ne sont pas nécessairement reliés au secteur).

Les taux d’intégration et les vitesses de cycles écriture/lecture étant déjà très élevés, les problèmes liés à la puissance dissipée sous forme de chaleur deviennent cruciaux. Sachant que la puissance dissipée par un ordinateur personnel approche celle d’un radiateur électrique d’ambiance (500W), on comprend l’importance d’une recherche orientée sur des dispositifs électroniques qui utilisent le courant de chaleurs comme source d’énergie.

Etat de l’Art

Il faut en premier lieu souligner une caractéristique surprenante de la littérature dans ce domaine, qui rend l’analyse de l’état de l’art plutôt délicate et laborieuse. En effet, l’état de l’art en spin caloritronics est pour le moins confus. On trouve une grande polysémie dans les termes utilisés (pas exemple les termes « spin current », « Spin-Seebeck effect », « spin Hall effect » ont des différentes définitions suivant les contextes et les auteurs. De plus, un certain nombre de résultats expérimentaux sont contradictoires. Enfin, la nature des controverses développées à propos de l’interprétation des résultats de l’effet « Spin Seebeck » semble seulement se préciser en cette année 2014.

Thermoélectricité dépendant du spin

Pour un matériau conducteur, le transport de charge électrique est lié au transport de chaleur : ce sont les propriétés thermoélectriques. Appliquer une différence de potentiel permet de générer un flux de chaleur (effet Peltier) et appliquer un gradient de température permet de générer un potentiel électrique (effet Seebeck). La découverte de l’accumulation de spin et de la GMR a donc un corolaire thermoélectrique qui n’a pas échappé aux expérimentateurs à la suite des premières publications sur la GMR. La mesure des effets thermoélectriques dépendant de l’aimantation (ou « magneto-thermopower » : MTEP) a montrée qu’on pouvait réaliser des capteurs Seebeck dépendant de l’accumulation de spin [2–5]. Cependant, l’idée de réaliser des têtes de lecture fonctionnant avec un courant de chaleur ou la mise au point d’éléments Peltier contrôlés par un champ magnétique ne devaient pas représenter beaucoup d’intérêt à l’époque. En revanche, ce type de mesures soulevait des problèmes intéressants à propos des mécanismes physiques en jeu [6–11]. Récemment, les travaux du groupe de Groningen [9–12] ont montré clairement que les propriétés de l’électronique de spin liées à l’accumulation de spin (responsable de la GMR en configuration perpendiculaire au plan) trouvent leurs correspondants thermoélectriques (avec les premières validations en géométrie non-local c’est-à-dire sans courant électrique dans la branche du circuit concernée). L’ensemble de ces travaux constitue une démonstration sans ambiguïté concernant la possibilité de travailler avec les effets thermoélectriques sur des dispositifs du type vanne de spin, jonction tunnel magnétique, etc. Il est cependant trop tôt pour vérifier que des brevets industriels ont été déposés pour la réalisation des dispositifs (capteurs, batterie Seebeck, MLU, générateur aléatoire, etc) fonctionnant avec des courtants de chaleurs et contrôlés par l’aimantation ou le champ magnétique.

L’effet  » Spin Seebeck  » 

En 2008-2010, une série d’articles a été publiée par un consortium japonais (Tohoku University Sendai, CREST Tokyo, Japan Atomic Energy Agency, Tokai) à propos de la mesures de réponse magnéto-voltaïque à une excitation thermique, en l’absence de courant électrique . La tension est mesurée aux bornes d’une électrode de Platine placées transversalement à une couche mince ferromagnétique. On observe le même type de signaux que ceux mesurés en électronique de spin, c’est-à-dire que la tension mesurée sur l’électrode suit les états d’aimantation (le signal est par exemple proportionnel à la projection de l’aimantation sur un axe). La différence notable avec la thermoélectricité dépendant du spin décrite au paragraphe précédent tient au fait qu’il n’y a pas d’injection de spin (au sens habituel du terme). D’une part, aucune partie du dispositif ne comporte de courant électrique, contrairement aux expériences précédemment citées. D’autre part, toutes les distances caractéristiques sont bien plus importantes que la longueur de diffusion de spin, à l’exception de l’épaisseur de l’électrode. Enfin, la caractéristique peut-être la plus remarquable est que ces effets sont observés indifféremment sur des ferromagnétiques qui sont métalliques (Permalloy) [13–15, 17], semi-conducteurs (GaMnAs) [18] ou isolants (YIG)[19–21].

A la suite de ces travaux, et après avoir été contraint d’abandonner l’idée de l’injection de spin habituelle, la distinction entre les effets thermoélectriques dépendant du spin, et les effets observés dans ce nouveau contexte est maintenant bien établie. Le nouvel effet a pris le nom d’effet « Spin Seebeck » (pour le différencier de l’effet « spin-dependent Seebeck » qui est l’analogue thermoélectrique de la GMR) [22]. Ces expériences ont été généralisées à d’autres sources d’énergie (au lieu du courant de chaleur), tel qu’une excitation mécanique (le terme de « acoustic spintronics » a été proposé) [23]. Par ailleurs, une excitation magnétique hyperfréquence conduit aussi au signal magnéto-voltaïque sur l’électrode de Pt. De façon inattendue, on retrouve ici un développement antérieur de l’électronique de spin connu sous le nom de pompage de spin (spin pumping) [24]. En effet, lors des expériences de pompage de spin, le profil d’une résonance ferromagnétique (tracée en fonction du champ appliqué ou de la fréquence) est mesurée par la tension aux bornes d’une électrode (typiquement de Pt) placée dans la même géométrie que pour l’effet Spin Seebeck [25–28]. On observe donc le même effet en remplaçant l’excitation thermique du spin Seebeck par une excitation électromagnétique du pompage de spin : les excitations générées dans une couche ferromagnétique (indifféremment isolante ou conductrice) se propagent à l’électrode et sont traduites sous la forme d’un potentiel électrique. Le terme de « thermal spin-pumping » a été proposé pour décrire l’effet Seebeck dans ce contexte [25], qui repose sur une hypothèse de « spin-magnon transmutation » . Du point de vue strictement expérimental, la grande proximité entre les deux effets spin-Seebeck et pompage de spin a été démontré en 2012 sur YIG/Pt [26]. Du point de vue phénoménologique, l’effet spin-pumping et l’effet spin-Seebeck se décrivent identiquement par l’action d’un courant de chaleur ferromagnétique (ce sont les ondes de spin au sens large) sur une électrode, et rentrent donc dans le cadre des effets thermoelectriques du type effet Nernst.

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Table des matières

INTRODUCTION
1 Introduction
1.1 Objectifs de travail
1.2 Etat de l’Art
1.2.1 Thermoélectricité dépendant du spin
1.2.2 L’effet  » Spin Seebeck  »
1.2.2.1 Le modèle d’injection de spin
1.2.3 L’effet Nernst anisotrope s’invite dans la discussion
1.2.4 Le transport thermique anisotrope
2 Bases théoriques
2.1 Introduction au ferromagnétisme
2.1.1 Ferromagnétisme à l’échelle macroscopique
2.1.2 Ferromagnétisme à l’échelle microscopique
2.1.3 Etat magnétique de la couche mince
2.2 Transport anisotropique des charges électriques et de la chaleur
2.2.1 Introduction
2.2.2 Equations du transport électrique en présence d’une aimantation ~m
2.2.2.1 La loi d’Ohm
2.2.2.2 La dépendance angulaire
2.2.2.3 Premières conclusions à propos de l’effet spin-Seebeck
2.2.3 Equations du transport thermique en présence d’une aimantation ~m
2.2.3.1 Cas des matériaux conducteurs électriques
2.2.3.2 Isolant électrique et expression générale
2.2.3.3 La dépendance angulaire
2.2.4 Force et flux ferromagnétique
2.2.4.1 Application aux mesures magnéto-voltaïques
2.2.5 Calcul ∆S des thermocouples
2.2.5.1 Thermocouple classique
2.2.5.2 Thermocouple dans les cas de notre mesure
2.2.5.3 Les thermocouples en série
3 Protocole de mesure
3.1 Échantillons
3.1.1 Échantillon Py (NiFe)
3.1.2 Échantillon YIG
3.2 Protocoles de mesure
3.2.1 Dispositif expérimental
3.2.2 Protocole de mesure de la magnétorésistance
3.2.2.1 Mesure de l’AMR en fonction de l’angle
3.2.2.2 Mesure de l’AMR en fonction du champ H
3.2.3 Protocole de mesure d’effet Hall
3.2.4 Protocole de mesure d’effet Seebeck et Nernst
3.2.4.1 Mesure de l’effet Seebeck ou Nernst en fonction de la fréquence
3.2.4.2 Mesure d’effet Seebeck ou Nernst en fonction de la puissance du chauffage
3.2.4.3 Mesure de l’effet Seebeck ou Nernst en fonction de l’angle
3.2.4.4 Mesure d’effet Seebeck et Nernst en fonction du champ magnétique appliqué
3.2.5 Analyse des données
4 Transport électrique anisotrope
4.1 Introduction
4.2 Mesures d’AMR
4.3 Mesures de l’effet Hall
4.3.1 Mesure avec champ magnétique hors du plan
4.3.2 Mesure avec champ magnétique dans le plan
4.4 Rôle de l’épaisseur de l’électrode
5 Transport thermique anisotrope
CONCLUSION

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