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Imagerie magnétique à l’échelle nanométrique

Publié le 21 mars 2022
Contact : Aurelien Masseboeuf

Nous développons l’imagerie magnétique à l’échelle nanométrique pour comprendre les paramètres magnétiques en jeu (anisotropie, échange, magnétisation, largeur des parois de domaine) par l’analyse de la phase de l’onde électronique, reconstruite par des techniques interférométriques (Lorentz & Holographie) ainsi qu’à travers le développement de nouvelles méthodes (TEM Stromboscopique). Ces recherches sont menées conjointement avec Spintec pour corréler ces analyses avec d’autres techniques d’imagerie magnétique basées sur les sondes à Rayons X (Synchrotron – (S)TXM) – et sondes à balayage – MFM – le tout avec une approche operando pour modifier les structures magnétiques à travers l’action de courants et de champs électriques (le champ magnétique in situ étant à l’origine de la technique). Ci-dessous une représentation non-exhaustive des études en cours.



Parois de domaines manétiques pour la mémoire RaceTrack : Un des principaux défis de la spintronique est de fournir une méthode fiable et à faible consommation énergétique pour déplacer précisément les parois de domaine magnétiques sous l’action du couple à transfert de spin “Spin Transfer Torque (STT)” (déplacement d’une paroi grâce à un couple exercé par un courant passant au travers). Notre but est d’imager à l’échelle nanométrique les variations de texture magnétique, dans et autour des parois de domaine, contenues dans des structures 1D comme les nanofils et nanotubes contactés, de manière à pouvoir y injecter un courant.
Figure: Correlation of structure and magnetic texture in a CoNi nanowire. Bottom (c)image is a composite image made of Holography : colour codes for direction of magnetization (red for right, blue for left) and black lines are displaying the magnetic flux.



Mémoires Magnétiques (MRAM) : Nous observons différentes formes de MRAM qui sont l’un des sujets majeurs de collaboration entre Spintec et le CEA-Leti. Nous avons donc implémenté différentes méthodes d’observation, de l’imagerie nanométrique des dispositifs, vers la capacité de les faire fonctionner dans un TEM, depuis l’activation STT jusqu'à l’opération via le couplage spin-orbite (Spin-Orbit Torque - SOT) où l’anisotropie est contrôlée par une tension électrique.
Figure: MRAM structure grown on a nanopillar radiating a magnetic flux. The magnetic stray fields are displayed around the structure with colour and black lines for magnetic flux. The structure is added in a conventional STEM image with an inset of EDX mapping of Mg (in the tunnel barrier) and Fe (in the CoFeB electrodes).



Structures de Skyrmions : Les skyrmions sont les textures magnétiques portant les nouvelles promesses de stockage de l’information à basse consommation et haute densité. Ces singularités magnétiques sont une partie intégrante de la spintronique qui s’appuient sur une ingénierie d’interface visant à favoriser l’interaction dite Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Ces structures sont observées sur un large spectre de matériaux, allant des matériaux multicouches ferrimagnétiques complexes (base de Gd) jusqu’aux couches sub-nanométriques (Co) empilées de manière anti-symmétrique.
Figure: Magnetic bubbles emerging from a specific ferrimagnetic phase (FeGd) seen at two different magnification in Fresnel contrast (left) and focal series reconstruction (right) displaying the magnetic flux (black lines) as well as magnetization direction (colour).



TEM Stromboscopique pour imagerie magnétique : Nous développons actuellement une nouvelle forme d’imagerie dynamique à travers un système de hachage électrostatique du faisceau d’électrons (technique pompe-sonde) avec l’ambition d’atteindre le régime du GHz, les domaine précessionnel du nanomagnétisme. Nous utilisons pour cela une électronique développée par l’entreprise Sisyph, ainsi que de l’instrumentation développée localement (blanker électrostatique dans le diaphragme de sélection d’aire). Nous observons ainsi les transformations de textures de manière dynamique, reposant sur les contrastes de Fresnel couplés aux modèles micro-magnétiques pour leur quantification.
Figure: Magnetic nanowire (black line) contacted with gold pads (yellow) onto an electron transparent membrane (blue) made on a silicon wafer (purple) observed through optical microscope. Such device is used for developing high frequency imaging and operando magnetic imaging.