Tailoring magnetic phenomena and disorder in ultra-thin films with He⁺ irradiation

Contrôle des propriétés magnétiques et du désordre dans des couches ultra-minces par irradiation par des ions He⁺ Les dispositifs spintroniques promettent des améliorations significatives par rapport aux technologies CMOS actuelles en termes d'efficacité, de vitesse et de consommation d'énergie pour des applications telles que le stockage de données, la logique et le calcul neuromorphique. En particulier dans les dispositifs tels que les MRAMs (magnetic random access memory) ou ceux basés sur le mouvement des parois magnétiques (c'est-à-dire l'interface entre les domaines magnétiques), l'un des principaux challenges concerne l'optimisation des paramètres magnétiques tels que l'anisotropie et la réduction du désordre structural présent dans les matériaux et dispositifs. Dans cette thèse, nous abordons ces problèmes en utilisant l'irradiation par des ions légers. Des ions He⁺ à haute énergie sont utilisés pour déplacer à l'échelle atomique les atomes du réseau cristallin dans les matériaux magnétiques, ce qui entraîne un réarrangement du réseau et une modification des propriétés magnétiques des matériaux. Dans la première partie de cette thèse, nous montrons que l'irradiation par des ions He+ peut être utilisée pour moduler plusieurs paramètres magnétiques dans des films ultra-minces. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous utilisons l'irradiation par des ions He⁺ pour réduire le désordre intrinsèque du matériau et le désordre extrinsèque induit par les techniques de nanofabrication. Plus précisément, dans la première partie, nous étudions comment l'irradiation avec des ions He⁺ à température modérée peut induire la cristallisation d'un film ultra-mince amorphe de W/CoFeB/MgO et montrons que nous pouvons obtenir une anisotropie magnétique similaire ou supérieure par rapport à un procédé de recuit à haute température. Nous montrons également comment l'irradiation de films ultraminces de W/CoFeB/MgO pré-cristallisés peut moduler les propriétés magnétiques interfaciales et améliorer le mouvement des parois magnétiques. Nous présentons en outre des preuves que l'efficacité de la commutation tout-optique de l'aimantation dans les ferrimagnétiques synthétiques Co/Gd peut être améliorée de 30% et que la magnétostriction des multicouches Ni/Fe peut être supprimée par irradiation par des ions He⁺. Dans la deuxième partie, nous montrons que le désordre à l'échelle nanométrique dans le W/CoFeB/MgO cristallisé peut être revelé en étudiant le mouvement des parois magnétiques et que les échantillons cristallisés par irradiation ionique présentent une réduction du désordre à l'échelle nanométrique entrainant une augmentation de la vitesse des parois magnétiques. Nous soulignons en particulier que le contrôle du désordre à l'échelle nanométrique est un facteur essentiel pour les dispositifs spintroniques basés sur le mouvement des parois magnétiques. Même dans des échantillons ayant des propriétés magnétiques similaires, le désordre à l'échelle nanométrique peut induire des changements significatifs du mouvement de parois magnétiques. Les défauts extrinsèques, qui peuvent être générés par les techniques de nanofabrication, réduisent également le mouvement de parois magnétiques. A la fin de cette thèse, nous montrons que l'interaction entre les défauts extrinsèques et les parois magnétiques peut être minimisée et même supprimée par une irradiation locale avec des ions He⁺ sur les bords des nanostructures. Les parois magnétiques qui se déplacent dans les dispositifs dont les bords sont irradiés ne sont plus influencées par les défauts de bord et se déplacent à la même vitesse que dans un film continu. Nous montrons également que le « patterning » magnétique sans gravure physique peut créer des structures avec un effet de bord considérablement réduit. En conclusion, les résultats de cette thèse montrent que l'irradiation par des ions He⁺ est un outil puissant permettant de moduler les propriétés des matériaux magnétiques et de réduire les défauts intrinsèques et extrinsèques de tout dispositif spintronique.