La magnétorésistance géante

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La magnétorésistance géante Histoire d’une découverte P. Grünberg 1939 Prix Nobel de Physique 2007 A. Fert 1938 Prix Nobel de Physique 2007 1988 Fe Fe Cr

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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 Presentation

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Page 1: La magnétorésistance géante

La magnétorésistance géante

Histoire d’une découverte

P. Grünberg1939

Prix Nobel de Physique2007

A. Fert 1938

Prix Nobel de Physique

2007

1988

Fe

FeCr

Page 2: La magnétorésistance géante

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

Page 3: La magnétorésistance géante

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

Page 4: La magnétorésistance géante

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

Page 5: La magnétorésistance géante

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

Page 6: La magnétorésistance géante

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

Page 7: La magnétorésistance géante

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

Page 8: La magnétorésistance géante

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

Page 9: La magnétorésistance géante

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

Page 10: La magnétorésistance géante

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

Page 11: La magnétorésistance géante

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

Page 12: La magnétorésistance géante

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

Page 13: La magnétorésistance géante

1-1 : Notions de transport électronique

Pourquoi cette différence entre le cuivre et le fer ?

Le fer est un métal ferromagnétique

Page 14: La magnétorésistance géante

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

Page 15: La magnétorésistance géante

- 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 ?

Page 16: La magnétorésistance géante

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

Page 17: La magnétorésistance géante

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

Page 18: La magnétorésistance géante

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

Page 19: La magnétorésistance géante

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

Page 20: La magnétorésistance géante

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)

Page 21: La magnétorésistance géante

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

Page 22: La magnétorésistance géante

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

Page 23: La magnétorésistance géante

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

Page 24: La magnétorésistance géante

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

Page 25: La magnétorésistance géante

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

Page 26: La magnétorésistance géante

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

Page 27: La magnétorésistance géante

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

Page 28: La magnétorésistance géante

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

Page 29: La magnétorésistance géante

en champ nul ?

711 citations

1-3-b : La Magnétorésistance géante / principe de la GMR

1986 P. Grünberg

Pourquoi

Page 30: La magnétorésistance géante

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

Page 31: La magnétorésistance géante

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

Page 32: La magnétorésistance géante

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

Page 33: La magnétorésistance géante

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

Page 34: La magnétorésistance géante

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.

Page 35: La magnétorésistance géante

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

Page 36: La magnétorésistance géante

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

Page 37: La magnétorésistance géante

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

Page 38: La magnétorésistance géante

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

Page 39: La magnétorésistance géante

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%

Page 40: La magnétorésistance géante

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