SACCHI, Maurizio (16 Rue des Orchidées, Paris, Paris, F-75013, FR)
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SACCHI, Maurizio (16 Rue des Orchidées, Paris, Paris, F-75013, FR)
| REVEN DICATIONS 1. Procédé de modification de la direction d'aimantation d'une couche supérieure (2) comprenant un matériau ferromagnétique, caractérisé en ce que : a) la couche supérieure (2) est disposée au-dessus d'une couche inférieure (3) non couplée magnétiquement avec la couche supérieure (2), la couche inférieure (3) comprenant un matériau apte à produire ou non, suivant que la température dudit matériau est supérieure ou inférieure à une valeur seuil, un champ magnétique rayonné susceptible de modifier la direction d'aimantation de la couche supérieure (2), le champ magnétique rayonné par le matériau de la couche inférieure (3) étant supérieur au champ coercitif du matériau ferromagnétique de la couche supérieure (2), et en ce que le procédé comprend : b) une étape consistant à faire passer la température de la couche inférieure (3) d'une première valeur, pour laquelle les directions d'aimantation de la couche supérieure (2) et de la couche inférieure (3) sont dans une configuration relative stable et pour laquelle le matériau de la couche inférieure (3) ne produit pas de champ magnétique rayonné, à une deuxième valeur, pour laquelle le matériau de la couche inférieure (3) produit un champ magnétique rayonné susceptible de modifier de manière irréversible la direction d'aimantation de la couche supérieure (2), et c) une étape consistant à faire passer la température de la couche inférieure (3) de la deuxième valeur à une troisième valeur pour laquelle le matériau de la couche inférieure (3) ne produit pas de champ magnétique rayonné, les étapes de variation de température b) et c) étant effectuées sans application de champ magnétique extérieur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la couche inférieure (3) est apte à produire un champ magnétique rayonné susceptible de modifier la direction d'aimantation de la couche supérieure (2) lorsque la température dudit matériau est supérieure à une valeur seuil. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau de la couche inférieure (3) présente, suivant que la température du matériau est inférieure ou supérieure à une valeur seuil, une structure homogène entièrement ferromagnétique ou une structure inhomogène comprenant une alternance de zones ferromagnétiques et non ferromagnétiques. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau de la couche inférieure (3) présente une structure homogène lorsque la température du matériau est inférieure à une température seuil, et en ce qu'il présente une structure inhomogène lorsque la température du matériau est supérieure à une température seuil. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la couche inférieure (3) est une couche de MnAs formée par épitaxie sur un substrat de GaAs. 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la structure inhomogène de la couche inférieure (3) est obtenue par implantation ionique dans la couche inférieure (3). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche inférieure (3) est une couche d'alliage FePd, FeNi, NiMn, FeGa ou FePt. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la couche supérieure (2) est une couche de Fe, Ni, Co, ou d'un alliage ferromagnétique comprenant au moins un de ces éléments. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'une couche de matériau non ferromagnétique est disposée entre la couche inférieure (3) et la couche supérieure (2). |
La présente invention a pour objet un procédé de modification de la direction d'aimantation d'une couche d'un matériau ferromagnétique. Le procédé permet de contrôler localement la direction d'aimantation, en l'absence de champ magnétique extérieur.
Dans les dispositifs d'enregistrement magnétique, il est particulièrement important de pouvoir contrôler localement la direction d'aimantation d'une bande magnétique.
Il est connu à cet effet d'appliquer localement un champ magnétique à l'aide d'une bobine magnétique. Ce dispositif présente l'inconvénient d'être lent, car il présente une certaine inertie. En outre, cette procédure demande l'application de champs magnétiques de plus en plus intenses au fur et à mesure que la taille des objets magnétiques diminue, ce qui conduit à l'utilisation d'une bobine de taille importante, peu compatible avec un contrôle précis de la direction d'aimantation sur de petites dimensions de la bande magnétique.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients.
En particulier, l'invention propose un procédé qui permet de modifier localement la direction d'aimantation d'une couche de matériau ferromagnétique, en particulier de l'inverser localement, en l'absence de champ magnétique extérieur.
L'invention a ainsi pour objet un procédé de modification de la direction d'aimantation d'une couche supérieure comprenant un matériau ferromagnétique.
Conformément au procédé selon l'invention :
a) La couche supérieure est disposée au-dessus d'une couche inférieure non couplée magnétiquement avec la couche supérieure, la couche inférieure comprenant un matériau apte à produire ou non, suivant que la température dudit matériau est supérieure ou inférieure à une valeur seuil, un champ magnétique rayonné susceptible de modifier la direction d'aimantation de la couche supérieure, le champ magnétique rayonné par le matériau de la couche inférieure étant supérieur au champ coercitif du matériau ferromagnétique de la couche supérieure.
Le procédé comprend en outre :
b) une étape consistant à faire passer la température de la couche inférieure d'une première valeur, pour laquelle les directions d'aimantation de la couche supérieure et de la couche inférieure sont dans une configuration relative stable et pour laquelle le matériau de la couche inférieure ne produit pas de champ magnétique rayonné, à une deuxième valeur, pour laquelle le matériau de la couche inférieure produit un champ magnétique rayonné susceptible de modifier de manière irréversible la direction d'aimantation de la couche supérieure, et
c) une étape consistant à faire passer la température de la couche inférieure de la deuxième valeur à une troisième valeur pour laquelle le matériau de la couche inférieure ne produit pas de champ magnétique rayonné.
Les étapes de variation de température b) et c) sont effectuées sans application de champ magnétique extérieur.
La couche inférieure et la couche supérieure sont « non couplées magnétiquement » au sens de l'invention, c'est-à-dire que le couplage magnétique entre la couche inférieure et la couche supérieure est suffisamment faible pour que les directions d'aimantation de la couche supérieure et de la couche inférieure soient initialement dans une première configuration relative stable et pour qu'elle soient à l'issue du procédé dans une deuxième configuration relative stable. A la deuxième valeur de température, le matériau de la couche inférieure produit un champ magnétique rayonné susceptible de modifier de manière « irréversible » la direction d'aimantation de la couche supérieure. On entend par là que lors de la variation de température de l'étape c), la modification de la direction d'aimantation de la couche supérieure est conservée de manière stable. Ainsi, on obtient une nouvelle configuration stable de l'alignement magnétique relatif de la couche inférieure et supérieure.
Le procédé utilise la faculté du matériau de la couche inférieure à produire un champ magnétique rayonné au-dessus ou en dessous d'une température seuil . Il est ainsi possible de modifier la direction d'aimantation de la couche supérieure en jouant sur la température.
Le matériau de la couche inférieure est typiquement apte à produire un champ magnétique rayonné susceptible de modifier la direction d'aimantation de la couche supérieure lorsque la température dudit matériau est supérieure à une valeur seuil. Ainsi, si la température de la couche inférieure est inférieure à la valeur seuil, il est possible de stabiliser au moins deux configurations d'alignement magnétique entre la couche inférieure et la couche supérieure.
Selon un mode de réalisation, le matériau de la couche inférieure peut présenter, suivant que la température du matériau est inférieure ou supérieure à une valeur seuil, une structure homogène entièrement ferromagnétique ou une structure inhomogène comprenant une alternance de zones ferromagnétiques et non ferromagnétiques.
C'est la présence des zones non ferromagnétiques qui entraîne la production, par les zones ferromagnétiques, d'un champ rayonné de la couche inférieure vers la couche supérieure, et qui provoque ainsi la modification de la direction d'aimantation de la couche supérieure.
Le matériau de la couche inférieure peut notamment présenter une structure homogène lorsque la température du matériau est inférieure à une température seuil, et présenter une structure inhomogène lorsque la température du matériau est supérieure à une température seuil.
A titre d'exemple, la couche inférieure peut être une couche de MnAs formée par épitaxie sur un substrat de GaAs, notamment de structure GaAs(OOl).
On peut également envisager que la structure inhomogène de la structure inférieure soit obtenue par implantation ionique dans la couche inférieure, par exemple par implantation d'ions de gaz rares. L'implantation ionique permet de modifier la température de Curie de la zone implantée. La température de Curie est la température au-delà de laquelle un matériau perd son aimantation spontanée. Après implantation, la couche inférieure se caractérise par une alternance de zones ferromagnétiques ayant une température de Curie Tl et T2 respectivement. La température seuil sera choisie entre Tl et T2 pour avoir une alternance de zones ferromagnétiques et non ferromagnétiques.
La couche inférieure pouvant être soumise à une telle implantation ionique peut par exemple être une couche d'alliage FePd, FeNi, NiMn, FeGa ou FePt.
La couche supérieure peut par exemple être une couche de Fe, Ni ou Co, ou d'un alliage ferromagnétique comprenant au moins un de ces éléments, comme par exemple un alliage de permalloy (NiFe).
Afin de favoriser le non couplage magnétique entre la couche inférieure et de la couche supérieure, une couche de matériau non ferromagnétique peut être disposée entre la couche inférieure et la couche supérieure. Il est à noter que lorsqu'on utilise une couche de MnAs formée par épitaxie sur un substrat de GaAs on observe la formation d'une très fine couche d'alliage d'interface qui permet de limiter le couplage entre la couche inférieure et la couche supérieure, sans qu'il soit nécessaire de disposer une couche supplémentaire entre la couche inférieure et la couche supérieure.
Le champ magnétique rayonné par le matériau de la couche inférieure est supérieur au champ coercitif du matériau ferromagnétique de la couche supérieure, de manière à faciliter la modification de la direction d'aimantation de la couche supérieure.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement un dispositif de mise en œuvre du procédé selon l'invention,
- la figure 2 est une vue de détail de dessus du dispositif,
- la figure 3 est une vue partielle du dispositif, en cours de procédé,
- les figures 4 à 6 sont des diagrammes utiles à la compréhension du procédé, et
- la figure 7 illustre schématiquement un dispositif particulier de mise en œuvre du procédé selon l'invention.
Le dispositif 1, tel qu'illustré à la figure 1, comprend une couche supérieure 2 de matériau ferromagnétique disposée au-dessus d'une couche inférieure 3 de matériau ferromagnétique, elle-même disposée sur un substrat 4. La matrice constituée des couches supérieure 2 et inférieure 3 ainsi que du substrat 4 peut être en forme de disque.
Le dispositif 1 comprend également un élément chauffant 5, ainsi qu'une tête de lecture magnétique 6.
L'élément chauffant 5 chauffe localement la couche inférieure 3. Le chauffage local modifie localement la structure de la matrice, ce qui entraîne la formation de champs magnétiques bipolaires rayonnes, appelés également flux de fuite, au niveau de la couche supérieure 2. La direction de l'aimantation de la couche supérieure 2 est modifiée localement, par inversion dans le cas de la figure 1, au niveau d'une zone 7 chauffée par l'élément chauffant 5, tel qu'illustré sur la figure 2. La température de la matrice est ensuite abaissée jusqu'à sa valeur initiale. Le nouvel alignement magnétique est stable. La tête de lecture 6 contrôle l'état magnétique local au niveau de la couche supérieure 2.
Un exemple de dispositif est illustré plus en détail à la figure 3. Le dispositif est préparé par épitaxie par jets moléculaires. Une couche supérieure 2 de Fe d'épaisseur 5 nm est déposée à la surface supérieure d'une couche inférieure 3 de MnAs d'épaisseur 140 nm. La couche inférieure 3 est obtenue par croissance épitaxiale sur un substrat 4 de GaAs(OOl).
MnAs possède une bonne compatibilité avec les substrats semi- conducteurs ainsi qu'une polarisation de spin élevée. A température ambiante, et plus précisément entre 13 et 4O 0 C, MnAs/GaAs présente une structure auto-organisée en bandes, alternant des phases ferromagnétiques α-MnAs et des phases non ferromagnétiques β-MnAs. La période des bandes, c'est-à-dire la somme de la largeur d'une bande α-MnAs et d'une bande β-MnAs, est déterminée par l'épaisseur de la couche 3 de MnAs. La période, sensiblement constante en fonction de la température, est environ égale à cinq fois l'épaisseur de la couche 3 de MnAs.
Dans l'intervalle de température compris entre 13 et 4O 0 C, à l'intérieur duquel coexistent les phases α-MnAs et β-MnAs, la largeur des bandes β-MnAs augmente avec la température. Il existe une différence de hauteur entre les phases α-MnAs, qui se présentent sous forme de crêtes, et les phases β-MnAs, qui se présentent sous forme de rainures ente les phases α-MnAs. La différence de hauteur entre les phases α-MnAs et β-MnAs est de l'ordre de 2% de l'épaisseur de la couche de MnAs, c'est-à-dire de quelques nm seulement. Le champ magnétique rayonné par la couche inférieure 3 oriente l'aimantation de la couche supérieure 2 de Fe.
Le champ magnétique rayonné (en mT) produit au niveau de la couche supérieure 2 est représenté en haut de la figure 3.
Pour favoriser le contrôle de la direction d'aimantation de la couche 2 de Fe, on peut diminuer le champ coercitif de la couche 2 de Fe, par exemple en utilisant un alliage à champ coercitif plus faible comme par exemple un alliage FeNi ou un alliage FeNiB.
Ainsi, la configuration pour laquelle les aimantations de la couche supérieure 2 de Fe et de la couche inférieure 3 de MnAs ont la même direction à basse température est modifiée en présence des rainures de β-MnAs, sans qu'il soit nécessaire d'appliquer un champ magnétique extérieur.
La figure 4 est un diagramme représentant l'aimantation de la couche supérieure et de la couche inférieure en fonction de la température. Le comportement magnétique de l'échantillon est observé par diffusion magnétique résonante de rayons X (X-ray Résonant Magnetic Scattering (XRMS) en langue anglaise), en utilisant des rayons X polarisés circulairement. En réglant l'énergie photonique aux résonances Mn-2p (environ 640 eV) ou Fe-2p (environ 707 eV), l'intensité réfléchie spéculaire est sensible à l'aimantation de la couche de MnAs ou de la couche de Fe, respectivement. Les données sont collectées en géométrie coplanaire, les bandes étant orientées orthogonalement au plan de diffusion. L'angle de diffusion est fixé à 16°. Le porte échantillon est intégré à un dispositif Peltier pour le contrôle de la température, entre -1O 0 C et 8O 0 C, ainsi qu'à un électroaimant (jusqu'à 1.5 kOe au niveau de l'échantillon).
Pour une résonance donnée, le taux d'asymétrie est proportionnel au moment magnétique de l'élément. Le signal magnétique (taux d'asymétrie) du Fe est représenté par la courbe commençant en haut de la figure 4 et s'achevant en bas de la figure 4, tandis que le signal magnétique (taux d'asymétrie) de MnAs est représenté par la courbe sensiblement horizontale située au milieu de la figure 4. Après application d'une impulsion magnétique de 1 kOe à 8 0 C, la température de l'échantillon est portée de 8 0 C à 18 0 C (carrés pleins), puis de 18 0 C à 8 0 C (carrés creux), sans application de champ magnétique.
La figure 5 montre les cycles d'hystérésis de Fe et de MnAs à 8 0 C, représentant l'aimantation de Fe et de MnAs en fonction du champ magnétique appliqué. L'impulsion magnétique prépare l'état initial du cycle thermique avec une direction d'aimantation identique pour la couche de Fe et la couche de MnAs. On observe que le couplage entre les deux couches est faible, puisque les champs coercitifs des deux couches sont très différents.
En se référant à nouveau à la figure 4, le procédé débute à 8 0 C avec une direction d'aimantation identique pour la couche de Fe et la couche de MnAs. Lorsque la température augmente, l'aimantation de la couche de Fe reste sensiblement constante jusqu'à ce qu'apparaisse la phase β-MnAs, vers 13 0 C. Ceci est confirmé lorsqu'on observe l'évolution du taux de β-MnAs dans MnAs en fonction de la température, tel que représenté à la figure 6. Entre 13 et 16 0 C, l'aimantation du Fe diminue rapidement, puis s'inverse. Au-delà de 16 0 C, les zones de β- MnAs sont suffisamment larges pour entraîner une modification irréversible de la direction de l'aimantation. Ainsi, lorsque l'on fait ensuite descendre la température jusqu'à la valeur initiale de 8 0 C, l'aimantation de la couche de Fe reste de direction opposée à celle de la couche de MnAs, bien que la température soit identique à celle du début du procédé et que le procédé se déroule ave un champ magnétique appliqué nul. Ainsi, un léger réglage de la microstructure MnAs/GaAs par un contrôle de la température permet une inversion complète de la direction d'aimantation de la couche de Fe, sans application de champ magnétique. L'inversion de l'aimantation peut être obtenue localement en utilisant un rayonnement laser focalisé. Ainsi, une variation structurale équivalente à une augmentation de température de 5 0 C peut être obtenue par irradiation avec une impulsion laser. On peut par exemple utiliser des impulsions laser (λ=400nm) d'une durée de ICT 13 S, chaque impulsion déposant une densité d'énergie d'environ 100 μJ/mm 2 . La variation structurale a lieu sur une échelle de temps d'environ 10 '11 s.
La figure 7 illustre une application particulière du procédé selon l'invention, dite « témoin de température ». On dispose sur un substrat 8 plusieurs ensembles A,B,C constitués d'une couche supérieure 2 de Fe et d'une couche inférieure 3 de MnAs, tel que décrit ci-dessus. A l'aide d'un détecteur d'aimantation, non représenté, tel que par exemple un capteur utilisant l'effet Kerr, on détecte si l'aimantation des couches 2,3 est en configuration parallèle (cas des ensembles A et C) ou antiparallèle (cas de l'ensemble B). Si la configuration est antiparallèle, on en déduit alors que la température locale du substrat 8 dépasse ou a dépassé la température seuil à partir de laquelle se produit l'inversion d'aimantation de la couche supérieure 2.
Le procédé selon l'invention présente ainsi de nombreux avantages. La modification de la direction d'aimantation de la couche supérieure est contrôlée uniquement par la température. Il n'est pas nécessaire d'appliquer un champ magnétique par une bobine ou un aimant externe. La modification de la direction d'aimantation se produit sur un faible écart de température, ce qui nécessite peu d'énergie. Le chauffage local s'effectue sur une durée très courte, qui peut être de l'ordre de 10 '11 s avec un chauffage par absorption d'un rayonnement laser. En outre, le changement de direction d'aimantation peut s'effectuer sur une petite distance, de l'ordre de 200 nm pour la matrice MnAs/GaAs.