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Fe/MgO(001) et Co/MgO(001) : briques de base pour tester le transport tunnel de systèmes épitaxiés

Stéphane ANDRIEU Laboratoire de Physique des Matériaux, UMR7556, Université Nancy


Fe/MgO(001) et Co/MgO(001) : briques de base pour tester le transport tunnel de systèmes épitaxiés

Les jonctions tunnel magnétiques à base de barrière isolante amorphe ont dominé la spintronique de son origine à nos jours du fait de leur facilité d’élaboration. Des magnétorésistances tunnel allant jusqu’à 70% ont ainsi été obtenues. Depuis 2001, de nouvelles perspectives s’offrent à la communauté depuis la prédiction (à partir de calculs ab initio) d’effets pouvant atteindre 1000 à 6000% pour des systèmes entièrement épitaxiés Fe/MgO/Fe(001) et Co/MgO/Co(001). L’origine de cette forte TMR réside dans la sélection en symétrie (rendue possible par l’épitaxie) et dans le filtrage par la barrière correspondant à une atténuation de la fonction d’onde dans la barrière plus ou moins forte en fonction de la symétrie. Dans le cas de Fe/MgO/Fe(001) et pour de fortes épaisseurs d’isolant, le transport tunnel est gouverné par les électrons majoritaires de caractère ∆1. Or le Fe est demi-métallique du point de vue de cette symétrie, ce qui explique les fortes TMR calculées. Ces calculs théoriques sont basés sur l’hypothèse de matériaux et d’interfaces parfaites tant du point de vue structural que du point de vue chimique. Mais qu’en est-il des systèmes réels ? Depuis 2003, quelques groupes dans le monde ont effectivement réussi à fabriquer des jonctions tunnel entièrement épitaxiées présentant de fortes TMR (200%), démontrant ainsi les capacités de systèmes à barrières cristallisées.

Dans cet exposé, nous ferons un survol théorique du transport polarisé en spin, tout d’abord pour des barrières amorphes, puis pour des barrières épitaxiées. Dans un second temps, nous montrerons qu’expérimentalement les systèmes Fe/MgO et Co/MgO(001) sont effectivement des systèmes modèles. Enfin, nous examinerons les propriétés de transport obtenues sur des jonctions lithographiées, et nous comparerons les prédictions théoriques et l’observation.