Mécanisme des couples spin-orbite dans les systèmes à l'oxyde de platine

L'avenement du Big Data, Machine Learning (ML) et 5G a l'importance de certains parametres cle des technologies memoire tels que la consommation d'energie, la non-volatilite, la vitesse, la taille et l'endurance. Les memoires magnetiques a acces aleatoire (MRAM) telles que les MRAM a couple de transfert de spin (STT-MRAM) et les MRAM a couple de spin orbite (SOT-MRAM) sont devenues des concurrents incontournables de ce marche, dans l'objectif d'remplacer les RAM statiques (SRAM) et les RAM dynamiques (DRAM) actuelles basees sur la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). La commutation d'un bit memoire dans les SOT-MRAMs s'appuie sur les spins generes via le couplage spin orbite (SOC) par l'application d'un courant de charge a travers un metal lourds (HM). Ces HM etant resistifs, des pertes ohmiques existent pendant le processus d'ecriture. Un vaste corpus de travaux, tant universitaires qu'industriels, a ete consacre a la recherche de moyens pour minimiser ces pertes et ainsi ameliorer l'efficacite energetique. De plus, le courant injecte dans la memoire lors du processus d'ecriture est controle par un transistor de commutation CMOS. La taille de ce transistor augmente avec le courant de commutation. Par consequent, une reduction de ce courant conduit egalement a un gain de densite de la memoire. Diverses approches visant a ameliorer la generation de spins par unite de courant applique ont ete adoptees pour atteindre cet objectif. Les premieres ont consist a utiliser des metaux de transition presentant un SOC eleve, des alliages metalliques et/ou une phase structurelle resistive du metal. Des travaux plus recents se sont concentres sur l'ingenierie de l'interface : insertion de couches ultrafines et utilisation de couches de capping formant des puits de spin. L'une des approches actuelles concerne l'utilisation de l'oxydation comme moyen d'augmenter les SOT. Differents groupes ont etudie l'effet de l'oxydation du HM, du Ferro-Magnetique (FM) ainsi que de la couche de capping constituee de metaux plus legers comme le cuivre. Bien que la majorite de ces travaux fass etat d'une augmentation des SOT, les resultats et les conclusions ne sont pas coherents. Des tendances divergentes d'augmentation des SOT, qui ont, a leur tour, ete attribuees a des phenomenes physiques varies. Dans ce travail, nous etudions les SOTs generes par l'oxydation de la couche de platine dans une pile multicouche Ta/Cu/Co/Pt. Dans ce systeme, nous quantifions les SOTs en mesurant les couples par une technique de seconde harmonique. Nous observons en effet une augmentation des couples. Ceci est verifie par des mesures de spin pumping qui montrent une augmentation de l'amortissement. Afin de determiner l'origine de cette augmentation, nous avons construit un modele decrivant l'oxydation du systeme base sur des caracterisations electriques, magnetiques et materielles ansi que des calculs ab-initio de la theorie fonctionnelle de la densite (DFT). Ceci nous a conduit a la conclusion que contrairement aux travaux precedents, qui expliquaient les resultats en se basant exclusivement sur un modele ou seul le HM etait oxyde, dans la pratique l'oxygene pres de l'interface FM/HM est pompe dans la couche FM. Ce phenomenz ne conduit pas seulement a une oxydation FM, mais laisse aussi le HM metallique a proximite de l'interface. En outre, ce modele a ete etaye par des mesures et des calculs des echanges symetrique et anti-symetrique. En tenant compte de ces observations et une fois les SOT quantifies corriges, nous ne constatons aucune augmentation observable des couples. Ceci nous amene a conclure que bien qu'au niveau du systeme il y ait une augmentation des SOTs avec l'oxydation du platine, il n'y a pas de contribution intrinseque de l'oxyde de platine a l'augmentation des couples. Cette decouverte a de vastes consequences sur la conception de SOT-MRAM, affectant l'endurance, la consommation d'energie et la magneto-resistance tunnel (TMR).