Study of the high frequency magnetization dynamics of nanostructures with perpendicular magnetic anisotropy
Etude de la dynamique hyperfréquence de l'aimantation de nanostructures magnétiques à anisotropie perpendiculaire
Résumé
This work is devoted to the theoretical and the experimental study of the fast magnetization dynamics in high perpendicular anisotropy (Co3Å/Pt6Å)6 nanostructures. I proposed to assist the magnetization switching by an in-plane exchange bias field. An analytical model was developed in the macrospin approximation. This exchange bias field reduces significantly the needed amplitude of the reversal pulse field both if the field is parallel to the exchange bias field or if it is out of the sample plane. In this latter case, direct overwrite is possible and the decrease in the reversal field can be used to increase the magnetic recording areal density in hard discs by 24%, by resorting to higher anisotropy materials. The experimental aspect contains two parts. The first part concerns the design, the microfabrication and the sample characterization. After the definition of the high frequency circuits, four technological processes for sample fabrication have been tested and compared. The microcircuits incorporate localized source of magnetic field that has the shape of either a microcoil or a coplanar waveguide. Their bandwidths vary between 14 GHz and 20 GHz. The typical generated magnetic fields by the microcoil and the coplanar waveguide are respectively 1.9 Oe/mA and 1.3 Oe/mA. Time-resolved measurements using extraordinary Hall effect were made to probe the magnetization precession induced by the in-plane pulse field. The high DC resistance of the Co/Pt multilayer rendered the detection of this signal difficult. Quasi-static magnetization switching measurements using single/train of pulses of nanosecond durations assisted by an out-of-plane static field have been done. The pulse likely induced nucleation of reverse domains in the cross. As an example, we demonstrated that pulse field of 32 mT and 10 ns can switch the magnetization in most of a 500´500 nm2 nanostructure if it is assisted by an out-of-plane static field of 22 mT.
Ce mémoire est consacré à l'étude théorique et expérimentale de la dynamique rapide de l'aimantation dans des nanostructures de (Co3Å/Pt6Å)6 à forte anisotropie perpendiculaire. J'ai proposé d'assister le retournement de l'aimantation par un champ d'échange dans le plan de La nanostructure. Un modèle analytique a été développé dans l'approximation macrospin. Ce champ d'échange réduit significativement l'amplitude de l'impulsion du champ magnétique nécessaire pour le retournement, et ce à la fois si le champ appliqué est parallèle au champ d'échange ou perpendiculaire au plan de la nanostructure. Dans ce dernier cas, la ré-écriture directe est possible et la réduction du champ de retournement peut être utilisée pour augmenter de 24% la densité d'enregistrement sur disques durs en ayant recours à des matériaux à plus forte anisotropie magnétique. L'aspect expérimental comprend deux parties. La première concerne la conception, la réalisation et la caractérisation des échantillons. Après la définition des circuits hyperfréquences, quatre procédés technologiques pour leur microfabrication ont été testés et comparés. Les microcircuits incorporent une source de champ localisée, prenant la forme d'une microbobine ou d'une ligne coplanaire. Leur bande passante varie entre 14 GHz et 20 GHz. Les champs magnétiques typiques générés par la microbobine et la ligne coplanaire sont respectivement de 1.9 Oe/mA et 1.3 Oe/mA. Les mesures résolues en temps par effet Hall extraordinaire ont été réalisées pour sonder la réponse précessionnelle de l'aimantation induite l'impulsion du champ. La forte résistance DC de la multicouche Co/Pt a rendu difficile la détection de ce signal. Des mesures quasi-statiques de retournement avec une/plusieurs impulsions de durées autour de la nanoseconde assistées par un champ statique perpendiculaire ont été faites. L'impulsion du champ aide le retournement, vraisemblablement par nucléation. A titre d'exemple, il a été notamment montré qu'une impulsion de 32 mT et de durée 10 ns peut retourner l'aimantation de presque toute une nanostructure de 500´500nm2 si cette impulsion est assistée par un champ statique de 22 mT.
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