Influence de la constante d’anisotropie de la couche AFM

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Phénoménologie de l’anisotropie d’échange

L’anisotropie d’échange fut découverte au milieu des années cinquante par Meiklejohn et Bean [1], dans des nanoparticules de structure cœur-coquille (Co/CoO). Elle fut en-suite observée dans de nombreux autres systèmes de type cœur-coquille (Ni/NiO, Fe/FeO, Fe/Fe2N, Fe/FeS …), puis dans des films minces ferromagnétiques/antiferromagnétiques (FM/AFM) utilisant des couches AFM métalliques (FeMn, NiMn, IrMn, CrMnM, où M=Pt, Rh, Cu, Pd, Ir, Ni, Co, Ti, …), oxydes (CoO, NiO, FeO) ou autres (FeF2, MnF2, CrN, FeS). Les couches FM utilisées peuvent être constituées de Fe, Ni ou Co, mais aussi de leurs alliages comme CoFe, CoPt3, Co2Mg ou NiFe ou encore de mul-ticouches FM/matériau non magnétique (Co/Pt, Co/Pd ou Co/Au). Elle a également été observée dans des nanofils. L’anisotropie d’échange n’apparaît pas uniquement dans les systèmes FM/AFM, mais aussi dans les systèmes FM/ferrimagnétique (Ferri) [2], Ferri/AFM [3], Ferri/Ferri [4] ou FM/“verre de spin” [5, 6] et récemment dans les sys-tèmes FM/semiconducteur magnétique [7].
Plusieurs modèles tentant d’en rendre compte ont été élaborés. Après description du principe de l’anisotropie d’échange, nous présenterons les modèles les plus pertinents.
Principe de l’anisotropie d’échange
L’anisotropie d’échange apparaît dans les systèmes comportant une interface FM/AFM, qui ont été refroidis sous champ à partir d’une température supérieure à la température de Néel de la couche antiferromagnétique (TN ) et inférieure à la température de Curie de la couche ferromagnétique (TC > TN ), jusqu’à une température inférieure à TN . Ce phénomène peut être expliqué qualitativement par l’existence d’une interaction d’échange à l’interface FM/AFM et il se caractérise d’un point de vue macroscopique par un déca-lage en champ magnétique HE , appelé champ d’échange, du cycle d’hystérésis. En eﬀet, lorsqu’un champ magnétique est appliqué à une température T telle que TN < T < TC , les moments magnétiques FM s’alignent suivant le champ. L’AFM étant dans un état paramagnétique, ces moments magnétiques sont orientés aléatoirement (figure 1.1.1).
Quand la température passe en dessous de TN , du fait de l’interaction à l’interface FM/AFM, les moments magnétiques AFM près de l’interface s’alignent ferromagnétique-ment ou antiferromagnétiquement avec les moments magnétiques FM selon le signe de l’interaction. Les autres moments magnétiques constituant l’AFM s’ordonnent de façon
à respecter l’ordre AFM (figure 1.1.1). Partant de cet état, le champ magnétique est di-minué. Lorsque le champ appliqué devient négatif, si l’anisotropie de la couche AFM est suﬃsamment importante, les moments magnétiques AFM restent fixes (figure 1.1.2 (i)) et exercent un couple sur les moments magnétiques FM. Ce couple s’oppose à leur retourne-ment (figure 1.1.2 (ii)) et le champ nécessaire au retournement complet de la couche FM est alors plus important que si cette dernière n’était pas en contact avec une couche AFM (figure 1.1.2 (iii)). A l’inverse, lorsque l’on désire retrouver l’état original de la couche FM, le couple exercé est cette fois ci dans la même direction que celui du champ appliqué et le retournement se produit pour une valeur de champ plus faible (figure 1.1.2 (iv)). Il
s’ensuit alors un décalage du cycle d’hystérésis. Dans la pratique, la bicouche est refroidit en dessous de la température de blocage de la couche AFM (TB ). Celle-ci est en générale inférieure à TN et dépend bien évidemment de la nature de la couche AFM, mais aussi du
couplage à l’interface FM/AFM, de l’épaisseur de la couche AFM ou encore du temps de mesure. En eﬀet, la TN de Ir20Mn80 est d’environ 700 K, alors que la TB d’une bicouche IrMn (7 nm)/Co (3 nm) est d’environ 450 K. De même, la TN de Fe50Mn50 est d’environ 500 K, alors que la TB d’une bicouche FeMn (5 nm)/Co (3 nm) est d’environ 400 K [8, 9].
L’anisotropie d’échange dépend de plusieurs paramètres, tels que l’anisotropie des couches FM et AFM, la cristallinité et la texture des couches FM et AFM, l’état de l’inter-
face FM/AFM (rugosité, diﬀusion, etc), la configuration magnétique des spins, l’épaisseur des couches ou la température, dont le rôle n’est pas encore bien compris. Nous verrons l’impact de certains de ces paramètres sur l’anisotropie d’échange dans la suite de ce manuscrit.
FIGURE 1.1.2 – Configurations magnétiques d’une bicouche FM/AFM, à la température
T (T < TN ) à diﬀérentes étapes d’un cycle d’hystérésis (Jint > 0).

Modèles théoriques

Modèle de Meiklejohn et Bean

Meiklejohn et Bean [10] ont montré que l’on pouvait rendre compte du décalage du cycle en considérant une interaction d’échange à l’interface FM/AFM. Lorsque le champ magnétique externe est appliqué selon la direction de l’axe d’anisotropie commun aux couches FM et AFM, l’énergie magnétique par unité de surface s’exprime alors :
E = − 0HMF M eF M cos(β) + KF M eF M sin2(β) + KAF M eAF M sin2(α) − Jint cos(α − β)
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où :
– H est le champ magnétique appliqué ;
– MF M , KF M et eF M sont respectivement l’aimantation, la constante d’anisotropie par unité de volume et l’épaisseur de la couche FM ;
– β est l’angle entre l’aimantation de la couche FM et son axe d’anisotropie (figure
1.2.1) ;
– KAF M et eAF M sont respectivement la constante d’anisotropie par unité de volume et l’épaisseur de la couche AFM ;
– α est l’angle entre “l’aimantation” de la couche AFM et son axe d’anisotropie (figure
1.2.1) ;
– Jint est l’intégrale d’échange à l’interface par unité de surface

Table des matières

Introduction générale
1 L’anisotropie d’échange
1.1 Phénoménologie de l’anisotropie d’échange
1.2 Modèles théoriques
1.2.1 Modèle de Meiklejohn et Bean
1.2.2 Modèle de Néel et Mauri
1.2.3 Modèle de Malozemoff
1.2.4 Modèle de Takano et al
1.2.5 Modèle de Koon et al.
1.2.6 Modèle de Nowak
1.3 Synthèse
1.4 Applications de l’anisotropie d’échange
1.4.1 Têtes de lecture de disques durs
1.4.2 Mémoires vives
1.4.2.1 Les mémoires statiques
1.4.2.2 Les mémoires dynamiques
1.4.2.3 Les mémoires magnétiques
1.4.2.4 Les autres types de mémoires
2 Simulation numérique
2.1 Généralités sur la méthode Monte Carlo
2.2 Algorithme de Metropolis
2.3 Méthode Monte Carlo quantifiée en temps
2.4 Simulation de cycles d’hystérésis
3 Etude de bicouches FM/AFM : approche atomique
3.1 Introduction
3.2 Modèle
3.2.1 Structure des bicouches
3.2.2 Conditions aux bords
3.2.3 Hamiltonien du système
3.2.3.1 Modèle de spins
3.2.3.2 Énergie d’échange
3.2.3.3 Énergie d’anisotropie
3.2.3.4 Énergie Zeeman
3.2.3.5 Énergie totale
3.3 Résultats
3.3.1 Couche antiferromagnétique bloquée
3.3.1.1 Etat fondamental comme état initial
3.3.1.2 État metastable comme état initial
3.3.1.3 Conclusion
3.3.2 Couche antiferromagnétique libre
3.3.2.1 Influence de la constante d’anisotropie de la couche AFM
3.3.2.2 Effet de la température
3.3.2.3 Conclusion
4 Etude de bicouches FM/AFM : approche granulaire
4.1 Introduction
4.2 Modèle et simulation
4.2.1 Constantes d’anisotropie effectives
4.2.2 Intégrales d’échange effectives
4.2.3 Barrières d’énergie
4.2.4 Paramètres numériques
4.3 Calcul des températures de blocage
4.3.1 Bicouche sans interaction
4.3.2 Bicouche avec interactions
4.3.2.1 Grains de la couche FM
4.3.2.2 Grains de la couche AFM
4.4 Couches monodisperses
4.4.1 Constantes d’anisotropie indépendantes de la température
4.4.1.1 Aucune interaction
4.4.1.2 Interaction à l’interface FM/AFM
4.4.1.3 Interaction à l’interface FM/AFM et entre grains FM
4.4.2 Constantes d’anisotropie dépendantes de la température
4.4.2.1 Interaction à l’interface
4.4.2.2 Interaction à l’interface FM/AFM et entre grains FM
4.4.3 Conclusion sur les températures de blocage
4.5 Distribution volumique des grains
4.5.1 Construction de la structure
4.5.2 Aucune interaction
4.5.3 Interaction à l’interface FM/AFM
4.5.4 Interaction à l’interface FM/AFM et entre grains FM
4.5.5 Conclusion sur les températures de blocage
4.6 Distribution des températures de blocage
4.6.1 Procédure
4.6.2 Couche monodisperse versus couche polydisperse
4.6.3 Influence du couplage à l’interface FM/AFM
4.6.4 Influence de la distribution volumique
4.6.4.1 Influence du volume moyen et de l’écart-type
4.6.4.2 Influence de l’épaisseur de la couche AFM
4.6.5 Distribution bimodale (couche polydisperse)
Conclusion
Liste des communications scientifiques