Soutenance mémoire
La spintronique et les quatre pierres angulaires
Matériaux à propriétés spécifiques
Avec le développement rapide des sciences et des technologies, la demande croissante des matériaux à haute performances avec des propriétés multifonctionnelles a augmenté, les technologies modernes ont besoin de matériaux à transduction, également dénommés « matériaux intelligents » qui subissent un changement substantiel d’une ou de plusieurs propriétés en réponse à un changement des conditions extérieures. Tous les matériaux intelligents sont des matériaux transducteurs car ils transforment de l’énergie en autre forme. Ils ont donc de nombreuses applications à la fois comme capteur (détecteur des signaux) ou parfois comme un processeur (comparaison, traitement et stockage des informations), et comme actionneurs dans divers domaines tels que le médical, la défense, l’aérospatiale et de la marine [46]. Le magnétisme est le plus apparent, il représente une source de propriétés variées qui sont à la base des utilisations diverses des matériaux magnétiques. Les propriétés intrinsèques d’un matériau sont la température d’ordre magnétique (température de Curie dans les corps ferromagnétiques et température de Néel dans les corps antiferromagnétiques), l’aimantation spontanée et l’anisotropie magnétique. Pour la grande majorité des applications, la température d’ordre doit être supérieure à la température ambiante, ce qui implique que les matériaux concernés sont à base des éléments de transition. La recherche, par ailleurs, d’une forte aimantation spontanée tend à privilégier les matériaux à base de Fe ou Co. Une autre propriété essentielle est la coercitivité. Le champ coercitif représente l’intensité du champ magnétique appliquée dans une direction antiparallèle à l’aimantation et requis pour renversercelle-ci. La coercitivité est liée à l’anisotropie magnétique ; elle peut être forte dans les alliages ou composés qui associent aux éléments de transition des éléments de terres rares Nd. Par ailleurs, la coercitivité est une propriété de nature extrinsèque qui dépend de façon critique de la microstructure ou la nanostructure du matériau.
Travaux antérieurs
Les efforts de recherche visent à développer des systèmes de plus en plus simples tout en présentant les performances obtenues. Des composés qui présentent la propriété particulière d’être des demi-métaux (alliages Heusler, CrO2…) sont étudiés car ils pourraient conduire à une magnétorésistance fortement renforcée. Il existe par ailleurs des composés (pérovskites de type La(Ca)MnO3 ou alliages (FeRh,…) qui présentent à l’état massif de fortes magnétorésistances associées à une transition magnétique. Des systèmes de type passif (capteurs de champ) ou actif (commutateur de spin, transistor de spin) sont envisagés qui mettent en jeu les matériaux à magnétorésistance géante. Un nouvel intérêt se fait jour par ailleurs pour des structures à effet tunnel, associant matériaux métalliques et isolants ou métalliques et semiconducteurs. Da façon générale, les progrès dans la compréhension des phénomènes magnétiques sont tels que la recherche de nouveaux matériaux est largement guidée par un raisonnement quis’appuie sur les connaissances acquises. Il est cependant intéressant de noter que dans de nombreux cas, les découvertes ont été largement le fruit du hasard. Les alliages amorphes
ultra-doux ont été découverts alors que la préparation de tels alliages avait été entreprise pour démontrer que le ferromagnétisme n’existe pas à l’état amorphe. Le but initial de la préparation de couches minces était de mettre en évidence l’existence d’une couche non magnétique en surface. Une telle couche n’existe pratiquement jamais, mais le magnétisme des couches minces s’est révélé riche d’autres propriétés [66]. Les alliages à Mémoire de Forme Ferromagnétiques (AMFFs) sont de nouveaux matériaux intelligents qui combinent les propriétés de ferromagnétisme avec des propriétés sans diffusion, comme la transformation martensitique réversible. La contrainte induite par un champ magnétique dans ces matériaux résulte du réarrangement de domaines martensitiques sous l’action d’un champ magnétique appliqué [67].
Motivations et choix des matériaux
Avec l’essor de la spintronique, des nouveaux dispositifs ont vu le jour, comme les vannes de spins (spin valve VS), et les jonctions tunnel magnétiques (Magnetic JunctionTunnel MJT), constituent des briques de base essentielles de nombreux composants spintroniques. Depuis sa découverte en 1975, la JTM a beaucoup évolué et s’est complexifiée pour répondre aux critères de densité, de consommation ou d’intégration. L’alumine amorphe (Al2O3) des premières barrières tunnel a été remplacée par l’oxyde de magnésium cristallin (MgO), ce qui permit un transport tunnel cohérent du spin et des performances électriques grandement améliorées. Dans ces jonctions, on observe un phénomène appelé magnétorésistance tunnel. Cette magnétorésistance augmente avec la polarisation en spin des électrodes. Or les éléments magnétiques utilisés jusqu’à présent, comme le Ni, Co, Fe et CoFe, présentent des polarisations qui ne dépassent pas les 50%. Une solution pour avoir une polarisation plus importante et par conséquent une magnétorésistance élevée est d’utiliser des oxydes
ferromagnétiques à caractère demi-métallique. Les demi-métaux, caractérisés par un taux de 100% de polarisation en spin au niveau de Fermi présentant ainsi une faible résistance pour un type de spin et une grande résistance pour l’autre type de spin, possèdent donc un énorm potentiel pour être utilisés dans les composants spintroniques comme la logique magnétique et les mémoires magnétiques à accès aléatoires (MRAM). Cependant les contraintes sur les impédances et les tensions ont amené l’industrie à devoir réduire le produit Résistance x Surface (RA) avec la course à la réduction des dimensions. Aujourd’hui, la technologie basée sur le MgO semble atteindre ses limites car cette évolution conduit à l’utilisation de barrière d’épaisseur sub-nanométrique. Ainsi, pour poursuivre la loi de Moore, il est nécessaire de rechercher de nouvelles barrières cristallines à bande interdite plus étroite. Théoriquement, certains types de matériaux, tels que les oxides Fe3O4, CrO2 et les pérovskites à valence mixte ont été prédits comme des demi-métaux. En outre, cette propriété demimétallique dans ces composés a été démontrée expérimentalement à basse température. Toutefois, les oxydes demi-métaux ont une faible température de curie et donc la polarisation de spin doit être faible à température ambiante. La recherche d’abord orientée vers des manganites du type La1-xAxMnO3 (A=Ca, Sr, Ba). Les jonctions à base de ces manganites présentent une très forte magnétorésistance à basse température (Bowen, Bibes et al. 2003) [93], mais l’inconvénient majeur est que cette magnétorésistance décroit rapidement lorsque la température augmente, devenant déjà négligeable en dessous de la température de Curie (360K). Sachant que la température de fonctionnement des dispositifs électroniques peut
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Table des matières Remerciements Nomenclature Table des illustrations Résumé Introduction générale Chapitre I : Généralités sur la spintronique Introduction Rôle de la simulation numérique La loi de Moore La spintronique et les quatre pierres angulaires La spintronique Les quatre pierres angulaires Aperçu sur GMR & TMR Aperçu sur magnétorésistance MR Magnétorésistance géante Vanne de spin Magnétorésistance Tunnel Jonctions tunnel magnétiques Applications spintronique Matériaux à propriétés spécifiques Travaux antérieurs Motivations et choix des matériaux Conclusion Bibliographie Chapitre II : Magnétisme Introduction Origine du moment magnétique Magnétisme à l’échelle atomique Différentes formes classiques du magnétisme Diamagnétisme Paramagnétisme Ferromagnétisme Antiferromagnétisme Ferrimagnétisme Différentes formes quantiques du magnétismeIntéractions d'échange dans les métaux Intéractions d'échange dans les métaux 3d Double échange Super échange Intéraction RKKY Intéraction spin-orbite Conclusion Bibliographie Chapitre III :Formalisme théorique Introduction Méthode du premier principe (ab-initio) Résolution de l’équation de Schrödinger Approximation de Born-Oppenheimer 1927 Théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) Théorèmes d’Hohenberg-Kohn (1964)Approche de Kohn-Sham (1965) Le potentiel d'échange et corrélation Vxc(r) Approximation de la Densité Locale (LDA) Approximation de la Densité de spin Locale (LSDA) Approximation du Gradient Généralisé (GGA) Approximation Engel-Vosko (EV-GGA) Ppotentiel de Becke Johnson modifié (mBJ) Résolution des équations de Kohn et Sham Méthode des ondes Planes Augmentées Linéarisées 5 Méthodes des ondes planes Augmentées (APW) (Slater 1964) Méthodes des ondes planes Augmentées Linéarisées (LAPW) Méthode (FPLAPW) WIEN2K Wien2k Influence du rayon des sphères atomiques (RMT Muffin Tin Radii) Densité d’états (DOS density of states) Modèle quasi-harmonique de Debye Conclusion Bibliographie Chapitre IV: Présentation des matériaux Introduction Nomenclature des composés de Heusler Structures cristallographiques des alliages de Heusler Demi-métallicité et l’intérêt potentiel pour l’électronique de spin Définition selon de Groot (1983) Quelques exemples de demi-métaux Classification des demi-métaux L’intérét potentiel pour la spintronique Les jonctions tunnel magnétiques à base de demi-métaux Demi-métallicité des alliages de Heusler (Half metallic ferromagnets) Semi-conducteurs et origine du gap Magnétisme et règle de Slater-Pauling Phénomène d’ordre désordre atomique pour certains Heusler Applications des alliages de Heusler en spintronique (Spintronic) Conclusion Bibliographie Chapitre V : Résultats et discussions Introduction Méthode de calcul Propriétés structurales Propriétés élastiques et mécaniques Propriétés électroniques Propriétés magnétiques Propriétés thermodynamiques Propriétés optiques Conclusion Bibliographie Conclusion générale et perspectives Production scientifique Chapitre V : CONCLUSION et PERSPECTIVES REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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