Media perpendiculaires
Malgré de nombreuses innovations destinées à limiter l’impact des fluctuations thermiques sur la rétention de l’information, il semble que les performances des media continus planaires atteindront bientôt leurs limites. Afin de continuer à augmenter la densité de stockage des media, le recours à l’enregistrement sur media perpendiculaires [TAK 01], continus dans un premier temps, s’impose, puisque d’une part le champ démagnétisant des domaines diminue lorsque leur taille diminue, ce qui repousse la limite superparamagnétique, et d’autre part, l’efficacité d’écriture des têtes pour l’enregistrement perpendiculaire est augmentée par rapport aux têtes pour l’enregistrement planaire. Ce premier saut technologique devrait permettre d’atteindre des capacités de 300 Gbits.pouce-2. Un disque dur prototype de 230 Gbits.pouce-2, optimisé pour l’enregistrement perpendiculaire a déjà été réalisé [HIT 05]. Différents systèmes sont à l’étude en vue de leur utilisation en tant que media perpendiculaires, comme par exemple des systèmes granulaires (de CoCr par exemple) qui présentent un bon rapport signal sur bruit, mais de plus faibles anisotropies que leurs équivalents longitudinaux [IKE 01], des multicouches perpendiculaires (Co/Pt ou Co/Pd par exemple) qui possèdent une très bonne stabilité thermique, mais qui sont limitées par un relativement fort couplage intergranulaire qui diminue le rapport signal sur bruit [VIC 01] ou encore plus récemment des media formés de couches granulaires et de multicouches (coupled granular and continuous media) [SON 01] qui allient le faible bruit associé aux couches granulaires à la bonne stabilité thermique des multicouches.
Media discrets
Après l’enregistrement perpendiculaire, un second saut technologique envisagé pour atteindre des densités de l’ordre du Terabit.pouce-2 consiste à utiliser des media discrets. De tels media sont constitués d’un ensemble d’îlots isolés [GAT 05], [MAR 03b]. Chaque îlot peut être composé d’un seul « gros » grain magnétique qui supporte un bit d’information et non plus une cinquantaine de «petits» grains, puisque la transition entre bits adjacents est maintenant assurée par la séparation physique entre les îlots voisins. La possibilité d’utiliser un seul grain par bit permet de repousser les problèmes liés à la limite super paramagnétique à des densités de l’ordre du Terabit.pouce-2. Les différentes techniques de structurations mises en œuvre pour fabriquer ce type de media discrets (lithographie électronique, irradiation, auto-organisation, nanoimpression …) sont passées en revue dans les articles de Gates et al [GAT 05], et de Martin et al [MAR 03b], par exemple. Nous allons maintenant présenter plus en détail la méthode de pré-structuration que nous avons utilisée pour fabriquer les substrats dont nous nous sommes servis pour les études présentées dans la suite de ce manuscrit. Cette méthode originale [LAN 00], [MOR 04a] consiste à pré-structurer une couche de silicium par lithographie électronique puis gravure, puis à déposer le système magnétique à étudier sur le sommet ou sur les flancs des nanostructures. La structuration devient alors indépendante du système à étudier. Les réseaux pré-gravés de silicium sont réalisés par S. Landis dans le Département des Technologies du Silicium du CEA/LETI. Les détails de la préparation de ces substrats, ainsi que les références pertinentes sur lesquelles s’appuient les différentes techniques abordées sont disponibles dans le manuscrit de Thèse de Doctorat de S. Landis [LAN 01].
Etape 1 : Dépôt sur un substrat continu 200 mm de silicium, d’un promoteur d’adhérence par centrifugation et éventuellement d’une couche antiréflectrice. Dépôt par centrifugation d’un film de résine photosensible. Recuit après dépôt qui permet de recompacter le film, de le stabiliser thermiquement et d’augmenter son adhérence sur le substrat.
Etape 2 : Exposition sélective du film par lithographie électronique, c’est à dire par écriture directe sur la résine avec un faisceau d’électrons (principe du microscope électronique à balayage MEB). Recuit après exposition afin d’homogénéiser la répartition du composé photosensible dans les zones exposées.
Etape 3 : Développement du film de résine. Selon la polarité de la résine, les zones exposées vont être soit dissoutes (résine positive), soit conservées (résine négative). La résine restante va permettre de protéger le substrat lors de l’étape technologique suivante. Durcissement de la résine par recuit.
Etape 4 : Gravure ionique réactive afin de transférer le motif défini par la résine dans le silicium. Cette gravure allie réaction chimique et attaque mécanique. Retrait de la résine par une étape plasma (O2), suivie d’une étape humide (HF, H2SO4).
Influence des couplages magnétostatiques sur la formation de configurations en domaines métastables et sur le déplacement des parois de domaines
La minimisation des couplages magnétostatiques inter-couches, dus à la taille finie des domaines, va être cruciale pour le bon fonctionnement de futurs dispositifs multiniveaux à anisotropie perpendiculaire. En effet, comme dans le cas des systèmes à anisotropie planaire, l’état d’aimantation des couches se dégradera-t-il au fur et à mesure de l’utilisation du dispositif [PAR 91] ? Sera-t-il possible d’écrire une configuration en domaine souhaitée qui reste stable sur une échelle de temps suffisante pour assurer la pérennité de l’information ? Le rôle des interactions magnétostatiques est-il le même à toutes les échelles de temps ? Nous allons maintenant discuter l’influence de ces couplages sur la possibilité de manipuler l’aimantation d’une couche indépendamment de l’aimantation de l’autre couche, en régime quasi-statique, puis en régime dynamique. Nous allons également étudier la stabilité sous champ et dans le temps des configurations de domaines induites.
Cette étude sur l’influence des couplages magnétostatiques sur la formation de configurations en domaines métastables et sur le déplacement des parois de domaines [WIE 05], [WIE soumis], a été majoritairement effectuée par l’équipe d’Optique des Solides (OPTSOL) du Laboratoire de Physique des Solides (LPS) d’Orsay. Cette étude a été initiée pour étoffer notre compréhension des effets de couplages magnétostatiques inter-couches dans des tricouches FM-NM-FM à anisotropie perpendiculaire.
Rôle des frustrations magnétiques
AF compensé : modèle de Koon. Koon considère le cas d’interfaces planes d’AF compensés. L’alternance du sens des spins d’AF dans un même plan, la présence d’un FM saturé, et le signe défini de l’interaction d’échange FM-AF (JFM-AF) est source de frustrations magnétiques.
Dans son Spin Flop model [KOO 97], Koon prédit que les spins d’AF s’orientent, dans le volume de l’AF, à 90° des spins de FM, et ce afin de relaxer les frustrations magnétiques.
Les spins interfaciaux sont, eux, légèrement désorientés par rapport à leur axe facile à 90° de celui du FM. Ils présentent alors un moment magnétique interfacial non nul selon l’axe facile du FM. La configuration des spins d’AF étant considérée rigide durant le retournement d’aimantation du FM, cette composante non nulle d’aimantation d’AF figée dans un sens donne lieu à l’anisotropie unidirectionnelle pour des AF compensés.
L’orientation perpendiculaire des spins de FM et d’AF prédite par Koon a été expérimentalement mise en évidence dans de nombreux systèmes : FeMn-NiFe, CoO-Fe304, CoO-NiFe, FeF2-Fe [NOG 99a]. Dans son état de plus basse énergie, en champ nul, l’aimantation interfaciale de l’AF est de sens opposé à l’aimantation du FM, ce qui permettrait d’expliquer l’observation de décalage « positif » de cycles d’hystérésis [NOG 96].
Le modèle de Koon en lui-même demeure cependant controversé à la suite des résultats publiés par Schultess et Butler [SCH 98] qui confirment la possibilité d’aboutir à une configuration de type Spin Flop, mais qui infirment l’hypothèse d’un AF compensé rigide en prenant en compte des valeurs réalistes d’anisotropies et de couplages. Selon eux, les spins des sous réseaux AF sont entraînés de manière symétrique durant le retournement d’aimantation du FM, ce qui exclue la présence de décalage de cycle macroscopique, mais permet seulement d’aboutir à un renforcement de la coercitivité. Pour des AF compensés, l’échange macroscopique est probablement principalement induit par la présence de sources de frustrations additionnelles.
Table des matières
INTRODUCTION
PARTIE I COUPLAGES ET EFFETS DE TAILLE FINIE DANS DES SYSTEMES MULTINIVEAUX
CHAPITRE 1 VERS LE STOCKAGE MAGNETIQUE MULTINIVEAUX
1.1. Media longitudinaux
1.2. Media perpendiculaires
1.3. Media discrets
1.4. Media multiniveaux
CHAPITRE 2 COUPLAGES MAGNETIQUES DANS DES TRICOUCHES A BASE DE COBALT/PLATINE
2.1. Propriétés structurales et magnétiques des multicouches
2.1.1. Elaboration et propriétés structurales
2.1.2. Influence du nombre de répétitions de [Co/Pt]
2.1.3. Influence de l’épaisseur de la couche séparatrice
2.2. Influence des couplages magnétostatiques sur la taille d’équilibre des domaines des multicouches
2.2.1. Mesures expérimentales
2.2.2. Extension du modèle de Kaplan : cas de multicouches en interactions magnétostatiques
2.3. Influence des couplages magnétostatiques sur la formation de configurations en domaines métastables et sur le déplacement des parois de domaines
2.3.1. Etats métastables après une impulsion de champ magnétique de « faible » amplitude et de «longue» durée
2.3.2. Etats métastables après une impulsion de champ magnétique de « forte » amplitude et de « courte » durée
2.4. Mise à profit des couplages magnétostatiques inter-couches
CHAPITRE 3 RESEAUX DE PLOTS MULTINIVEAUX POUR L’ENREGISTREMENT MAGNETIQUE ULTRA-HAUTE DENSITE
3.1. Couplages intra-plot
3.2. Couplages inter-plots
3.2.1. Champs de couplage inter-plots au niveau des couches et stabilité de l’information
3.2.2. Champs rayonnés au niveau de la tête de lecture : « lecture multiniveaux »
3.3. Validation de principe du stockage multiniveaux
PARTIE II EFFETS DE TAILLE FINIE SUR LES PROPRIETES D’ANISOTROPIE MAGNETIQUE D’ECHANGE
CHAPITRE 4 L’ANISOTROPIE MAGNETIQUE D’ECHANGE
4.1. Historique et phénoménologie
4.2. Anisotropie magnétique d’échange et applications
4.3. Fondements théoriques
4.3.1. Modèle intuitif : cas d’une interface plane pour un antiferromagnétique non compensé
4.3.2. Influence du renversement de l’aimantation du ferromagnétique sur la structure magnétique de l’antiferromagnétique. Modèle de Néel/Mauri
4.3.3. Rôle des frustrations magnétiques
4.4. Questions en suspens
4.4.1. Dimensions caractéristiques pertinentes et effets de taille finie
4.4.2. Orientation tridimensionnelle de la structure des spins d’antiferromagnétique et implications
CHAPITRE 5 BICOUCHES NIFE-IRMN A ANISOTROPIE PLANAIRE
5.1. Préparation des échantillons et propriétés structurales des couches ferromagnétique et antiferromagnétique
5.2. Influence de l’anisotropie unidirectionnelle sur les propriétés magnétiques de la couche ferromagnétique
5.3. Effet de taille finie et effet d’activation thermique
5.3.1. Influence de l’épaisseur d’antiferromagnétique à température ambiante
5.3.2. Influence de l’activation thermique
5.3.3. Influence de la dimension latérale des nanostructures
5.4. Etudes complémentaires
5.4.1. Anisotropie rotationelle : PIMM
5.4.2. Influence de la nature du matériau antiferromagnétique
5.4.3. Observation directe de la configuration en domaines de l’antiferromagnétique : XPEEM
5.4.4. Configuration des spins d’antiferromagnétique : simulations atomistiques.
CHAPITRE 6 BICOUCHES [PT/CO]N-IRMN A ANISOTROPIE PERPENDICULAIRE
6.1. Orientation relative des spins ferromagnétiques et antiferromagnétiques
6.1.1. Influence de l’épaisseur de cobalt
6.1.2. Influence de l’insertion d’une couche de platine entre la multicouche [Pt/Co] et l’antiferromagnétique
6.2. Impression de configurations de domaines du ferromagnétique dans l’antiferromagnétique et mise en évidence de longueurs caractéristiques pertinentes
6.3. Effets de taille finie sur l’anisotropie magnétique d’échange de bicouches ferromagnétique/ antiferromagnétique à anisotropie perpendiculaire
CONCLUSION
ANNEXES
LISTE DES COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
