Spin-orbit torque and spin dependent transport in magnetic nano-heterostructures - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Spin-orbit torque and spin dependent transport in magnetic nano-heterostructures

Torque spin-orbite et transport dépendant du spin dans les nano-hétérostructures magnétiques

Résumé

Spintronics focuses on exploiting both the spin and charge freedom of electrons. Magnetic tunnel junction is the cornerstone since it is a promising candidate as next-generation non-volatile memories. Therefore, one central research subject of spintronics is to enhance the electrical reading and writing performance of magnetic tunnel junctions. (1) Generation of spin currents in ferromagnets has been studied. And switching of perpendicular magnetization driven by two spin currents originated from the spin Hall effect and the anomalous Hall effect in a ferromagnet has been realized. Experiments are carried out to obtain a well-designed Type-T magnetic multilayer. The existence of these two spin currents is validated by the current-induced perpendicular magnetization switching measurements. (2) An effective perpendicular magnetic field is obtained in a Type-T magnetic multilayer, which leads to an efficient spin-orbit torque induced perpendicular magnetization switching. With the interlayer coupling between the in-plane magnetization and the perpendicular magnetization, the perpendicular magnetization experiences an additional effective perpendicular field, which facilitates (hampers) the switching of perpendicular magnetization and reduces (increases) the critical current density when two layers experience spin currents with same (opposite) polarity. Next, experiments are carried out to obtain a well-designed Type-T magnetic multilayer. And the effective perpendicular magnetic field is confirmed through perpendicular field-driven perpendicular magnetization switching experiments. (3) Realization of voltage-controllable tunnel magnetoresistance in Fe4N magnetic tunnel junctions. High-quality Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe4N magnetic tunnel junctions are grown on a single crystal MgO(001) substrate via molecular beam epitaxy. And a bias-dependent tunnel magnetoresistance is experimentally obtained. Through an ab initio calculation, it is demonstrated that this effect is caused by the change of tunneling channels, which related to the band structure of Fe4N near the Fermi level. (4) Investigation on the influence of interfacial disorder on the amplitude of resonant oscillation in double-barrier quantum well magnetic tunnel junctions. Quantum well states formed in double-barrier magnetic tunnel junctions enables coherent resonate tunneling of electrons, which could be utilized for achieving higher tunneling magnetoresistance ratio. We epitaxially fabricated a series of Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe DMTJs, and systematically investigated the oscillation amplitude dependence of the disorders introduced by inserted Co at the top and middle Fe/MgAlOx interfaces. It becomes clear that the oscillation amplitude remains stable when inserting Co out of the QW, while it can be greatly reduced by the chemical disorder introduced by Co insertion within the QW. And even be eliminated by the structural disorder introduced by Fe insertion within the QW.
La spintronique se concentre sur l'exploitation à la fois de la liberté de spin et de charge des électrons. La jonction tunnel magnétique est la pierre angulaire car elle est un candidat prometteur pour les mémoires non volatiles de prochaine génération. Par conséquent, l'un des sujets centraux de recherche en spintronique est d'améliorer les performances de lecture et d'écriture électrique des jonctions tunnel magnétiques. (1) La génération de courants de spin dans les ferromagnétiques a été étudiée. Et la commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par deux courants de spin issus de l'effet Hall de spin et de l'effet Hall anormal dans un ferromagnétique a été réalisée. Des expériences sont menées pour obtenir une multicouche magnétique de type T bien conçue. L'existence de ces deux courants de spin est validée par les mesures de commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par le courant. (2) Un champ magnétique perpendiculaire efficace est obtenu dans une multicouche magnétique de type T, ce qui conduit à une commutation efficace de la magnétisation perpendiculaire induite par le couple spin-orbite. Avec le couplage intercouche entre la magnétisation dans le plan et la magnétisation perpendiculaire, la magnétisation perpendiculaire subit un champ perpendiculaire efficace supplémentaire, qui facilite (entrave) la commutation de la magnétisation perpendiculaire et réduit (augmente) la densité de courant critique lorsque deux couches subissent des courants de spin de même (opposée) polarité. Ensuite, des expériences sont menées pour obtenir une multicouche magnétique de type T bien conçue. Et le champ magnétique perpendiculaire efficace est confirmé par des expériences de commutation de la magnétisation perpendiculaire induite par le champ perpendiculaire. (3) Réalisation de la magnétorésistance tunnel contrôlable en tension dans les jonctions tunnel magnétiques Fe4N. Des jonctions tunnel magnétiques Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe4N de haute qualité sont fabriquées sur un substrat de MgO(001) monocristallin via l'épitaxie par jets moléculaires. Et une magnétorésistance tunnel dépendante de la polarisation est obtenue expérimentalement. Par le biais d'un calcul ab initio, il est démontré que cet effet est causé par le changement des canaux de tunnellisation, lié à la structure de bande de Fe4N près du niveau de Fermi. (4) Investigation de l'influence du désordre interfacial sur l'amplitude d'oscillation résonante dans les jonctions tunnel magnétiques à puits quantiques à double barrière. Les états de puits quantiques formés dans les jonctions tunnel magnétiques à double barrière permettent une tunnellisation cohérente résonante des électrons, ce qui pourrait être utilisé pour atteindre un rapport de magnétorésistance tunnel plus élevé. Nous avons fabriqué épitaxialement une série de jonctions tunnel magnétiques Fe/MgAlOx/Fe/MgAlOx/Fe, et avons étudié de manière systématique la dépendance de l'amplitude d'oscillation des désordres introduits par l'insertion de Co aux interfaces supérieures et médianes Fe/MgAlOx. Il devient évident que l'amplitude d'oscillation reste stable lorsque le Co est inséré hors du puits quantique, tandis qu'elle peut être grandement réduite par le désordre chimique introduit par l'insertion de Co dans le puits quantique. Et même éliminée par le désordre structural introduit par l'insertion de Fe dans le puits quantique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04286181 , version 1 (15-11-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04286181 , version 1

Citer

Tianyi Ma. Spin-orbit torque and spin dependent transport in magnetic nano-heterostructures. Quantum Physics [quant-ph]. Université de Lorraine; University of Chinese academy of sciences, 2023. English. ⟨NNT : 2023LORR0148⟩. ⟨tel-04286181⟩
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