Nanostructure and magnetic coupling in (Pt/Co)3/IrMn thin films with perpendicular exchange bias
Nanostructure et couplage magnétique dans des couches minces (Pt/Co)3/IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire
Résumé
This thesis is devoted to the correlation of the structural properties at the atomic scale with the magnetic properties of (Pt/Co)3/Pt /IrMn multilayers with perpendicular exchange bias. Such multilayers are used in spintronics. A particular attention has been devoted to the structural characterization of the Co/IrMn interface. This interface plays a determining role in the exchange bias phenomenon, characterized by the exchange bias field HE . Investigation at the nanostructural scale has been carried out using atom probe tomography. Magnetic measurements were performed with a SQUID magnetometer. The results of magnetic measurements show that the insertion of a Pt spacer at the Co/IrMn interface increases HE for the multilayer in which the thickness of the Co layers (tCo ) is 0.4 nm, but decreases HE for the multilayer with tCo = 0.6 nm. Nanostructural analyses showed that in the absence of the spacer and for tCo =0.4 nm, Ir and Mn diffuse within the whole Co layer onto which the IrMn layer was deposited, while for tCo = 0.6 nm the Ir and Mn diffusion is much more reduced. On the other hand, whatever the thickness of the Co layer, the spacer reduces the Ir and Mn diffusion, thus acting as a diffusion barrier. Consequently, for multilayers with tCo = 0.4 nm, the spacer limits the interdiffusion at the Co/IrMn interface, leading to an increase of HE . The Ir and Mn diffusion in the Co layer being limited for the multilayer with tCo = 0.6 nm, the spacer moves away the Co spins from the Mn spins, leading to a decrease of HE .
Ce travail de thèse est consacré à la corrélation entre propriétés structurales à l'échelle atomique et propriétés magnétiques de multicouches (Pt/Co)3/Pt /IrMn à anisotropie d'échange perpendiculaire. Ces multicouches sont utilisées dans le domaine de l'électronique de spin. Une attention particulière a été portée à la caractérisation nanostructurale de l'interface Co/IrMn, cette interface jouant un rôle prédominant dans le phénomène d'anisotropie d'échange, caractérisée par le champ d'échange HE. L'étude structurale, réalisée principalement en sonde atomique tomographique a permis de révéler la structure des multicouches étudiées dont certaines couches sont d'épaisseur sub-nanométrique. Les résultats des mesures magnétiques ont montré que l'insertion d'une couche mince (spacer) de Pt à l'interface Co/IrMn augmente les valeurs de HE pour la multicouche dont l'épaisseur des couches de Co est tCo = 0,4 nm, mais diminue HE lorsque tCo = 0,6 nm. Les analyses nanostructurales montrent qu'en l'absence du spacer et pour tCo =0,4 nm, les atomes d'Ir et de Mn diffusent dans toute l'épaisseur de la couche de Co sur laquelle repose la couche IrMn alors que pour tCo = 0,6 nm la diffusion de ces atomes est beaucoup plus réduite. Quelle que soit l'épaisseur de la couche de Co, la présence du spacer réduit très fortement la diffusion d'Ir et de Mn, montrant ainsi que le spacer agit comme une barrière de diffusion. Pour tCo =0,4 nm, l'ajout du spacer, en limitant très fortement l'interdiffusion à l'interface entraîne l'augmentation de HE . Pour tCo =0,6 nm, la diffusion étant limitée, l'ajout d'un spacer entraîne une diminution de HE en raison de l'éloignement des spins de Co et Mn.
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