Tailoring magnetic phenomena and disorder in ultra-thin films with He⁺ irradiation
Contrôle des propriétés magnétiques et du désordre dans des couches ultra-minces par irradiation par des ions He⁺
Résumé
Spintronic devices promise significant improvement over current CMOS-based technology in terms of efficiency, speed, and energy consumption for applications such as data storage, logic, and neuromorphic computing. Particularly in devices such as magnetic random access memory or those based on the motion of magnetic domain walls (i.e., the interface between magnetic domains), one of the main challenges is related to the optimization of magnetic parameters such as anisotropy and the reduction of disorder. In this thesis, we tackle these problems by employing light ion irradiation. A high-energy He⁺ ion is used to induce interatomic displacements of lattice atoms in magnetic materials, which can result in a rearrangement of the local structure, affecting the magnetic properties of the materials. In the first part of this thesis, we show that He⁺ ion irradiation can be used to tune several magnetic properties in ultra-thin films. In the second part of this thesis, we use He⁺ ion irradiation to tune the intrinsic material disorder and the extrinsic disorder induced by the patterning processes. Specifically, in part one, we study how irradiation with light ions at moderate temperatures can result in the crystallization of an amorphous W/CoFeB/MgO ultrathin film and show that we can achieve similar or improved magnetic anisotropy compared to a standard annealing process at high temperatures. We also show how irradiation of pre-crystallized W/CoFeB/MgO ultrathin films can tune the interfacial magnetic properties and enhance domain wall motion. We further present evidence that the efficiency of all-optical switching of magnetization in Co/Gd synthetic ferrimagnets can be improved by 30% and that the magnetostriction of Ni/Fe multilayers can be efficiently tuned by light ion irradiation. In part two, we show that the nanoscale disorder in crystallized W/CoFeB/MgO can be revealed by studying domain wall motion and that samples crystallized by ion irradiation show reduced nanoscale disorder for efficient domain wall motion. We particularly highlight that the nanoscale disorder is an essential factor for spintronic devices based on domain wall motion. Even in samples with similar magnetic properties, nanoscale disorder can induce significant changes in domain wall motion. Extrinsic defects, which can be generated by lithography techniques, also strongly reduce domain wall motion. Towards the end of this thesis, we show that the interaction between extrinsic defects and domain walls can be tuned and even quenched through local irradiation with light ions at the edges of nanostructures. Domain walls that move through devices with irradiated edges show almost no reduction in velocity caused by edge defects and propagate as fast as in non-patterned films. We also show that magnetic patterning without physical etching can create structures with a significantly reduced edge effect. In conclusion, the results in this thesis show that irradiation with He⁺ ions is a versatile tool to engineer the properties of magnetic materials and to reduce the intrinsic and extrinsic defects in any spintronic device.
Les dispositifs spintroniques promettent des améliorations significatives par rapport aux technologies CMOS actuelles en termes d'efficacité, de vitesse et de consommation d'énergie pour des applications telles que le stockage de données, la logique et le calcul neuromorphique. En particulier dans les dispositifs tels que les MRAMs (magnetic random access memory) ou ceux basés sur le mouvement des parois magnétiques (c'est-à-dire l'interface entre les domaines magnétiques), l'un des principaux challenges concerne l'optimisation des paramètres magnétiques tels que l'anisotropie et la réduction du désordre structural présent dans les matériaux et dispositifs. Dans cette thèse, nous abordons ces problèmes en utilisant l'irradiation par des ions légers. Des ions He⁺ à haute énergie sont utilisés pour déplacer à l'échelle atomique les atomes du réseau cristallin dans les matériaux magnétiques, ce qui entraîne un réarrangement du réseau et une modification des propriétés magnétiques des matériaux. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que l'irradiation par des ions He+ peut être utilisée pour moduler plusieurs paramètres magnétiques dans des films ultra-minces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous utilisons l'irradiation par des ions He⁺ pour réduire le désordre intrinsèque du matériau et le désordre extrinsèque induit par les techniques de nanofabrication. Plus précisément, dans la première partie, nous étudions comment l'irradiation avec des ions He⁺ à température modérée peut induire la cristallisation d'un film ultra-mince amorphe de W/CoFeB/MgO et montrons que nous pouvons obtenir une anisotropie magnétique similaire ou supérieure par rapport à un procédé de recuit à haute température. Nous montrons également comment l'irradiation de films ultraminces de W/CoFeB/MgO pré-cristallisés peut moduler les propriétés magnétiques interfaciales et améliorer le mouvement des parois magnétiques. Nous présentons en outre des preuves que l'efficacité de la commutation tout-optique de l'aimantation dans les ferrimagnétiques synthétiques Co/Gd peut être améliorée de 30% et que la magnétostriction des multicouches Ni/Fe peut être supprimée par irradiation par des ions He⁺. Dans la deuxième partie, nous montrons que le désordre à l'échelle nanométrique dans le W/CoFeB/MgO cristallisé peut être revelé en étudiant le mouvement des parois magnétiques et que les échantillons cristallisés par irradiation ionique présentent une réduction du désordre à l'échelle nanométrique entrainant une augmentation de la vitesse des parois magnétiques. Nous soulignons en particulier que le contrôle du désordre à l'échelle nanométrique est un facteur essentiel pour les dispositifs spintroniques basés sur le mouvement des parois magnétiques. Même dans des échantillons ayant des propriétés magnétiques similaires, le désordre à l'échelle nanométrique peut induire des changements significatifs du mouvement de parois magnétiques. Les défauts extrinsèques, qui peuvent être générés par les techniques de nanofabrication, réduisent également le mouvement de parois magnétiques. A la fin de cette thèse, nous montrons que l'interaction entre les défauts extrinsèques et les parois magnétiques peut être minimisée et même supprimée par une irradiation locale avec des ions He⁺ sur les bords des nanostructures. Les parois magnétiques qui se déplacent dans les dispositifs dont les bords sont irradiés ne sont plus influencées par les défauts de bord et se déplacent à la même vitesse que dans un film continu. Nous montrons également que le « patterning » magnétique sans gravure physique peut créer des structures avec un effet de bord considérablement réduit. En conclusion, les résultats de cette thèse montrent que l'irradiation par des ions He⁺ est un outil puissant permettant de moduler les propriétés des matériaux magnétiques et de réduire les défauts intrinsèques et extrinsèques de tout dispositif spintronique.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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