22 avril 2015
Augmentation spectaculaire des propriétés d’échange dans des structures orthogonales ferromagnétique/antiferromagnétique/ferromagnétique

Maximiser le rapport Hex/HC (Hex étant le champ d’échange et HC le champ coercitif) et la stabilité thermique sont des éléments clés pour améliorer les performances des Mémoires Magnétiques à Accès Aléatoire (MRAM) à écriture assistée thermiquement. Dans le cadre d’une collaboration entre Spintec et la société Crocus Technology, nous avons démontré que ces éléments valeurs être augmentées de façon significative dans des structures tricouches de type F1/AF/F2, dans lesquelles les aimantations des deux couches ferromagnétiques sont orthogonales.

 

Le phénomène de couplage par échange est utilisé notamment dans les couches de référence dans des applications comme les têtes de lecture des disques durs et les mémoires MRAM. Dans les MRAM à écriture assistée thermiquement, cette propriété est utilisée également dans la couche de stockage, son optimisation et son contrôle étant des aspects clés.

Dans le cadre de notre collaboration, nous avons démontré que la valeur du champ d’échange d’une bicouche IrMn/Co est augmentée si la couche antiferromagnétique d’IrMn est insérée entre la couche de Co à aimantation planaire et une deuxième couche d’aimantation perpendiculaire, soit des multicouches de type (Pt/Co)3 or (Pd/Co)3.

 

Figure 1: Vue schématique du système tricouche proposé, dans lequel la couche antiferromagnétique AF est insérée entre 2 couches ferromagnétiques d’aimantations orthogonales F1 et F2

 

Figure 2: Dépendance thermique des champ de couplage par échange Hex (a-c) et des champs coercitifs HC (d-f) pour les systèmes bicouches (carrés pleins) et tricouches (carrés ouverts)  pour différentes épaisseurs de la couche antiferromagnétique d’IrMn.

 

En plus d’une valeur augmentée du champ d’échange Hex à la température ambiante et d’une réduction de l’épaisseur critique d’IrMn, la tricouche orthogonale F1/AF/F2proposée permet d’obtenir par rapport à la bicouche conventionnelle F1/AF une augmentation de la température de blocage ainsi qu’une courbature concave de la dépendance Hex(T). Nous attribuons ces caractéristiques à la coexistence de deux effets:

Tout d’abord, une inclinaison des spins de Mn à cause du couplage de l’IrMn avec la couche d’aimantation hors du plan. Deuxièmement, un couplage indirect des grains d’IrMn médié par les grains fortement couplés de la couche aimantée perpendiculairement. Ces caractéristiques ont été encore améliorées par l’insertion de quelques Angstroms de Cu à l’interface IrMn/Co. Cette insertion de cuivre additionnelle réduit la frustration de spin à l’interface, en augmentant ainsi le couplage d’échange par un facteur 3. Toutes ces améliorations sont d’un grand intérêt pour leur implémentation dans des MRAM à écriture assistée thermiquement ou dans des têtes de lecture de typr TMR, apportant des avantages en terme d’épaisseur totale réduite, stabilité du piégeage à des toutes petites dimensions ainsi que pour la rétention de données.

 

Ce travail a été fiancé partiellement par la Commission Européenne à travers le projet  ERC Project HYMAGINE No. 246942. Il a été effectué dans le cadre de la these CIFRE de Giovanni Vinai, en collaboration avec Crocus Technology.  

 

Références

J. Moritz, G. Vinai and B. Dieny, IEEE Magn. Lett. 3, 4000244 (2012)

G. Vinai, J. Moritz, S. Bandiera, I.L. Prejbeanu and B. Dieny, J. Phys. D: Appl. Phys. 46,
322001 (2013)

G. Vinai,  J. Moritz, S. Bandiera,  I. L. Prejbeanu, and B. Dieny, Applied Physics Letters 104, 162401 (2014)

 

 

Maj : 27/05/2016 (1108)

 

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