Magnetic and ferroelectric tunnel junctions: novel types of memristors.

Jonctions tunnel magnétiques et ferroélectriques : nouveaux concepts de memristors.

André Chanthbouala (1)

1 Spintronique et oxyde

A memristor is a variable non-volatile nanoresistance which value depends on the quantity of charges that have flown through. This device is very promising as a multi-level binary memory but also as an artificial synapse for brain-inspired computing architecture. During this thesis, we have studied two new concepts of memristor based on purely electronic effects. The first concept, the spintronic memristor, is based on a magnetic tunnel junction in which a domain wall is created. The resistance of the junction depends on the position of the domain wall. The resistance variations are obtained by displacement of the domain wall induced by spin transfer effect. The second concept, the ferroelectricmemristor, is based on a tunnel junction with a ferroelectric barrier. The resistance of such a junction depends on the orientation of the polarization. We show that those junctions exhibit good performances as a binary memory element. The memristive behaviour is obtained by a gradual switching of the polarization. The experimental results bring a proof of those concepts. Unlike other memristors based on mechanisms such as electromigration or phase change, our two concepts based on purely electronic effect are faster and expected to be more reliable.

Durant ce travail de thèse, nous avons étudié deux concepts originaux de memristor fondés sur des effets purement électroniques. Un memristor est une nanorésistance variable non-volatile dont la valeur dépend de la quantité de charges qui l'a traversée. Ce composant est particulièrement prometteur pour des applications en tant qu'élément de mémoire binaire multi-niveaux ou en tant que synapse artificielle pour intégration dans des architectures de calculs neuromorphiques. Le premier concept, le memristor spintronique, se base sur une jonction tunnel magnétique dans laquelle une paroi magnétique est introduite. Par l'effet de magnétorésistance tunnel, la résistance de la jonction dépend de la configuration magnétique, et donc de la position de la paroi. La variation de résistance est obtenue en déplaçant la paroi grâce à un courant par effet de transfert de spin. Le deuxième concept, le memristor ferroélectrique, se base sur une jonction tunnel dont la barrière est ferroélectrique. La résistance d'une telle jonction dépend de l'orientation de la polarisation de la barrière ferroélectrique. Nous montrons qu'elle a un fort potentiel en tant qu'élément de mémoire binaire de part la vitesse et l'énergie d'écriture. Le comportement memristif est obtenu par un retournement progressif de la polarisation électrique. Les résultats expérimentaux obtenus apportent la preuve des concepts. Contrairement aux memristors existants basés sur des processus comme l'électromigration ou le changement de phase, ces deux concepts fondés sur des effets purement électroniques sont prometteurs en termes de rapidité et d'endurance.

Mots clés: spintronic; ferroelectric; tunnel junction; spin transfer; domain-wall; polarization switching dynamic

Mots clés: Memristor; spintronique; ferroélectrique; jonction tunnel; transfert de spin; paroi de domaine; dynamique de retournement de polarisation

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

André Chanthbouala. Jonctions tunnel magnétiques et ferroélectriques : nouveaux concepts de memristors.. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00932584⟩