Matériaux magnétiques doux hétérogènes à combinaison d'aimantation élevée et de grande anisotropie utilisant le couplage d'échange, pour application microondes

Discipline

Électronique des Hautes Fréquences et Optoélectronique

Classification

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

magnétisme, radiofréquences, matériaux magnétiques, microondes, couches minces, inductance

Mots-clés

Dépôt par laser pulsé - Thèses et écrits académiques,

Matériaux magnétiques - Thèses et écrits académiques,

AimantationAimantation -- Thèses et écrits académiques,

Inductance - Thèses et écrits académiques,

Anisotropie - Thèses et écrits académiques,

Résonance ferromagnétique - Thèses et écrits académiques

Dans le domaine de la microélectronique haute fréquence, les dimensions des composants passifs sont un frein à la miniaturisation des circuits. Dans ce contexte, la réduction des tailles pour les inductances spirales planaires a fait appel récemment à l'utilisation de films minces ferromagnétiques doux. Les concepteurs de circuits pour la communication mobile en lien avec les développeurs de matériaux ont alors pensé à étendre ces matériaux à d'autres domaines d'application à la frontière du micro-onde et du millimétrique. Ceci ne pourra être réalisé seulement si des films à forte perméabilité (μ'DC) et à fréquence de résonance (fFMR) très élevée sont développés. Cependant, une très forte aimantation (4πMs) et une grande anisotropie (Hk) sont très difficiles à combiner naturellement dans les alliages conventionnels. Afin de surmonter cette limitation, nous proposons une démarche en rupture pour le développement traditionnel pour les matériaux magnétiques doux avec l'utilisation de films de CoFe à très forte aimantation mais non doux naturellement, couplés avec un matériau antiferromagnétique (AF). Durant ma thèse, j'ai développé par PVD des structures Antiferromagnétique/Ferromagnétique/Antiferromagnétique (AF/F/AF) en couches minces. Les principales études ont été réalisées avec le Co₉₀Fe₁₀ (4πMₛ = 17.5 kG) et Co₃₅Fe₆₅ (4πMₛ = 23.5 kG), ce dernier présentant l'aimantation ultime, en tant que couche F et avec Ni50Mn50 en tant que couche AF. Pour des applications pratiques, ces matériaux seront utilisés en multicouches épais [NiMn/CoFe]*n afin d'obtenir une épaisseur fonctionnelle suffisante (typiquement ≥ 0.5 μm). Cependant, ces matériaux sont susceptibles de souffrir de limitations principalement dues aux courants de Foucault, en raison d'un facteur de remplissage non favorable (fr = eF/eAF) < 1) et de résistivités trop faibles avec CoFe et NiMn. Nous avons donc étendu l'étude à d'autres couches AF comme IrMn et NiO. Parallèlement, nous avons développé un nouveau film ferromagnétique hautement résistif, le CoFeHfN, qui présente également l'avantage d'un amortissement exceptionnellement faible. Afin d'étudier le couplage d'échange au travers des épaisseurs critiques mises en jeu et de la dépendance en température, nous avons réalisé une étude systématique en fonction des épaisseurs eAF et eF . Ce travail inclut également des analyses structurales ainsi que l'étude de recuits sous champ magnétique. La mesure des propriétés statiques a été réalisée au VSM et à l'effet Kerr. Les propriétés dynamiques ont été mesurées avec un perméamètre monospire de façon routinière et avec des lignes coplanaires intégrées, de façon isolée. Des densités de couplage Jex très importantes ont été obtenues (1 erg.cm⁻²) pour la configuration AF/F/AF, ce qui a permis d'ajuster le champ d'échange Hex sur une grande gamme selon sa variation classique en 1/eF . La combinaison d'une très forte aimantation 4πMs et d'anisotropies très élevées Hk (50 - 700 Oe) a été réalisée avec succès, aboutissant à des fréquences de résonance fFMR ∼ 10 GHz, associées à des perméabilités μ'DC ∼ 50, ce qui n'avait jamais été observé par ailleurs. Le spectre de perméabilité de tels films est correctement interprété par le modèle Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) et présente un paramètre d'amortissement classique (∼ 0.01 - 0.02), compatible avec les applications visées. De plus, les propriétés microondes de tels films sont acceptables concernant la stabilité thermique. Les films couplés avec NiMn ne présentent aucun changement significatif jusqu'à 150°C. Pour finir, nous avons discuté l'intégration de ces nouveaux matériaux dans des dispositifs utilisant des lignes coplanaires. Un nouveau type d'inductance RF pour l'intégration sur silicium a été développée, basé sur le concept d'un ruban central très faiblement dissipatif associé au matériau AF / F / AF. La réalisation comporte une nouvelle topologie où la ligne centrale est entièrement encapsulée par le film magnétique. Après avoir discuté des conditions d'excitation relevant des dimensions mises en jeu dans le dispositif (largeur du ruban central, largeur des gaps par rapport aux rubans de masse et largeur de l'élément magnétique, nous avons montré que ce nouveau type d'inducteur présente une densité d'inductance linéique parmi les plus élevée avec 1.5 nH.mm−1 avec un facteur de qualité optimisable jusqu'à 5 GHz grâce à un rapport entre la fréquence optimale (Qmax) et la fréquence gyromagnétique favorable sous réserve d'un coefficient d'amortissement modéré. Les lignes coplanaires se sont avérées également très pertinentes pour l'exploration des propriétés dynamiques des films AF / F / AF dans une gamme de fréquence inhabituelle (jusqu'à 20 GHz). Cependant, à la pertinence de cet outil exceptionnel, on peut opposer la difficulté d'interprétation du paramètre d'amortissement α dont l'aspect phénomènologique vient englober à cette échelle de réalisation des causes totalement extrinsèque au film mais révélatrice de son excitation réelle.