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Étude et amélioration des couples de spin-orbite pour la commutation magnétique d'éléments mRAM avancés (H/F).

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : lundi 4 juillet 2022

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Informations générales

Référence : UMR137-HENJAF-007
Lieu de travail : PALAISEAU
Date de publication : lundi 13 juin 2022
Nom du responsable scientifique : Henri JAFFRES
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Ce programme de thèse concerne l'étude expérimentale du couple spin-orbite (SOT) pour la commutation magnétique par SOT-MRAM. Le SOT résulte de l'interaction entre un courant de spin et l'aimantation locale jouant le rôle de bit de mémoire. C'est actuellement un sujet chaud en spintronique, tant pour l' aspect fondamental que pour la réalisation d'une nouvelle génération de dispositifs spintroniques de type mémoires ou logiques.
Le SOT peut être associé à plusieurs mécanismes de conversion spin-charge que nous cherchons à optimiser à partir de l'interaction spin-orbite (SOI) tels l'effet Hall de spin (SHE) de métaux lourds (par exemple la série 5d comme Pt, Ta, W), ou l'effet Rashba Edelstein (REE) agissant sur des états de surface d'isolants topologiques (comme Bi). Ces effets contrôlent l'amplitude et les symétries des composantes SOT pour le retournement magnétique pour des densités de courant critique typique de l'ordre de jc = 10^11 A/m2.
L'un des principaux objectifs de la thèse sera de réduire cette densité de courant critique Jc d'un ordre de grandeur qui représenterait un bénéfice net important. Ce programme de thèse aborde ces perspectives en développant de nouvelles multicouches dédiées.

La thèse sera principalement développé à l'Unité Mixte de Physique CNRS, Thales, U. Paris-Saclay (UMPhy) et nécessitera l'utilisation de différents équipements (pulvérisation cathodique ; micro-nano lithographie ; effet Kerr, MFM, spectroscopie THz-TDS, méthodes de seconde harmonique f-2f, mesures de commutation avec utilisation possible d'un cryostat 9T). Cette thèse sera menée en étroite collaboration avec Kevin Garello du laboratoire SPINTEC (Grenoble) pour la fabrication et les mesures de jonctions tunnel magnétiques nanométriques.

Contexte de travail

A) Optimisation des amplitudes des couples SO et contrôle de leur symétrie (UMPhy)

Ces tâches seront réalisées sur des dispositifs expérimentaux avec des éléments de taille micronique élaborés à l'UMPhy : croissance par pulvérisation, lithographie, méthodes de caractérisation comme la spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS), mesures de la seconde harmonique f-2f du SOT. Les expériences seront accompagnées d'analyses numériques et de calculs des propriétés spin-orbite des matériaux/multicouches/hétérostructures et de l'efficacité de conversion spin-charge requise pour le SOT.

Plusieurs paramètres et questions seront abordés à cette fin :

1) matériaux SHE constitués d'une combinaison de matériaux lourds 5d
2) matériaux SHE constitués d'isolants topologiques à base de Bi (Bi2Se3)
3) Amélioration des propriétés du matériau magnétique.
4) Etude des empilements multicouches pour améliorer l'amplitude du SOT.

B) Étude de la commutation magnétique par SOT optimisé (UMPhy/SPINTEC)

La commutation de la magnétisation par SOT sera réalisée dans des éléments sub-microniques (taille du dispositif < 200 nm) réalisés à SPINTEC (ou UMPhy) et préparés dans le système de matériaux optimisés de la tâche 1. La détection de la commutation sera réalisée par des moyens électriques (effet Hall anormal) et optiques (effet Kerr ou MFM).
- Conception et fabrication par lithographie e-beam d'éléments SOT de dimension inférieure à 200 nm.
- Etude de l'inversion de magnétisation par SOT en fonction de la forme elliptique et de la taille correspondante.
- Etude des modes de renversement par SOT (expérimental et modélisation).

C) Transfert de technologie sur les bits SOT-MRAM et étude de l'opération d'écriture dans les SOT-MTJ (SPINTEC/UMPhy)

- Dépôt par pulvérisation cathodique d'hétérostructures optimisées sur des plaquettes à grande échelle (100 mm)
- Lithographie par faisceau d'électrons et fabrication de MTJ à l'échelle nanométrique (moins de 100 nm)
- Caractérisation des performances de commutation par un SOT amélioré (étude de l'inversion de mode) et analyse comparative.

Contraintes et risques

Pas de contraintes
Pas de riques

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