On Friday, November 08th, at 9:30, Georgy ZIBOROV (SPINTEC) will defend his PhD thesis entitled :
Optimization of the crystalline and magnetic properties of ferrimagnetic iron garnets for spintronics applications
Place : Institut Néel, Salle des Séminaires, Bâtiment A, 25 avenue des Martyrs, BP 166, 38042 Grenoble (access to CNRS requires an entry authorization. Request it to laurent.ranno@neel.cnrs.fr)
visio conference : https://univ-grenoble-alpes-fr.zoom.us/j/98769867024?pwd=dXNnT3RMeThjYStybGVQSUN0TVdJdz09
Meeting ID: 987 6986 7024
Passcode: 025918
Abstract : Modern development of information technologies such as memory storages and logic operations demands for faster, denser, non-volatile and low power-consuming technologies. This has driven significant research in the area of spintronics, or spinelectronics, which is based on the idea of exploiting both the charge and spin degrees of freedom of the electron. A key focus in this field is on ferrimagnetic oxides, in particular Rare-earth Iron Garnets (ReIG). These materials show great potential for use in insulator-based magnetic devices that generate pure spin currents. ReIGs exhibit unique magnetic properties, making them promising candidates for insulator spintronics applications, including skyrmion stabilization and spin wave propagation. These applications, however, require the fabrication of nanometer-thick garnet films.
In this work, we optimized the fabrication of epitaxial thin films of ReIG, in particular YIG and perpendicularly magnetized TmIG. This was performed via radio frequency sputtering technique and post-annealing, allowing to obtain high quality epitaxial ultrathin films down to 3 nm. The heteroepitaxial structure and crystalline quality of the fabricated films was confirmed with X-ray measurements. The in-situ measurements of ReIGs during the annealing process were performed as well, which allowed us to determine the crystallization dynamics separated in two simultaneous phases: garnet crystallization and diffusion. It was determined that the ReIGs crystallization phase is not linear, and the modeling of the process using Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov (JMAK) approach was developed, with the correction to the diffusion process from the substrate to the garnet layer.
The magnetic properties of ReIGs were studied and, in order to optimize them to stabilize smaller magnetic textures like stripe domains or bubbles, several ways of reducing effective anisotropy were investigated. Two of them, including the optimization of the annealing parameters and the fabrication of YIG/TmIG bilayers with different easy magnetization axis, turned out to be quite efficient. This allowed us to tune the effective anisotropy to stabilize stripe domains and magnetic bubbles at remanence. The studies of the ReIG magnetization dynamics demonstrated that its properties highly depend on the garnet composition, and, therefore, on the fabrication process and the annealing procedure conditions. An optimum of these constrains was found allowing to preserve the low damping of ReIGs.
The synchrotron studies of ReIGs demonstrated the difference in the garnet composition between the layer at the interface and the surface and confirmed the presence of a non-magnetic layer, created due to the substrate diffusion into the garnet layer. This effect was observed during the crystallization studies, and the approximate thickness of this layer ≈ 2 nm was determined from both hard and soft X-ray measurements.
titre : Optimisation des propriétés cristallines et magnétiques des grenats de fer ferrimagnétiques pour des applications en spintronique
Résumé : Le développement moderne des technologies de l’information, telles que les mémoires et les opérations logiques, exige des technologies plus rapides, plus denses, non volatiles et à faible consommation d’énergie. Cela a donné lieu à des recherches importantes dans le domaine de la spintronique, ou de l’électronique de spin, qui repose sur l’idée d’exploiter les degrés de liberté de charge et de spin de l’électron. Les oxydes ferrimagnétiques, en particulier les grenats de fer des terres rares (ReIG), sont au coeur de ce domaine. Ces matériaux présentent un grand potentiel d’utilisation dans les dispositifs magnétiques à base d’isolant qui génèrent des courants de spin purs. Les ReIG présentent des propriétés magnétiques uniques qui en font des candidats prometteurs pour les applications spintroniques à base d’isolant, notamment la stabilisation des skyrmions et la propagation des ondes de spin. Ces applications nécessitent toutefois la fabrication de films de grenat d’une épaisseur de l’ordre du nanomètre.
Dans ce travail, nous avons optimisé la fabrication de films minces épitaxiés de ReIG, en particulier de YIG et de TmIG à magnétisation perpendiculaire, par une technique de pulvérisation à radiofréquence et un post-recuit, ce qui a permis d’obtenir des films ultraminces épitaxiés de haute qualité d’une épaisseur de 3 nm. La structure hétéroépitaxiale et la qualité cristalline des films fabriqués ont été confirmées par des mesures aux rayons X. Les mesures in situ des ReIG pendant le processus de recuit ont également été effectuées, ce qui nous a permis de déterminer la dynamique de cristallisation séparée en deux phases simultanées : la cristallisation du grenat et la diffusion. Il a été déterminé que la phase de cristallisation des ReIGs n’est pas linéaire, et la modélisation du processus à l’aide de l’approche Johnson-Mehl- Avrami-Kolmogorov (JMAK) a été développée, avec la correction du processus de diffusion du substrat vers la couche de grenat.
Les propriétés magnétiques des ReIG ont été étudiées et, afin de les optimiser pour stabiliser des textures magnétiques plus petites telles que des domaines en bandes ou des bulles, plusieurs manières de réduire l’anisotropie effective ont été étudiées. Deux d’entre elles, à savoir l’optimisation des paramètres de recuit et la fabrication de bicouches YIG/TmIG avec différents axes d’aimantation facile, se sont avérées très efficaces. Cela nous a permis d’ajuster l’anisotropie effective pour stabiliser les domaines en bandes et les bulles magnétiques à la rémanence. Les études de la dynamique de l’aimantation du ReIG ont montré que ses propriétés dépendent fortement de la composition du grenat et, par conséquent, du processus de fabrication et des conditions de la procédure de recuit. Un optimum de ces contraintes a été trouvé permettant de préserver le faible amortissement des ReIGs.
Les études synchrotron des ReIG ont démontré la différence de composition du grenat entre la couche à l’interface et la surface et ont confirmé la présence d’une couche non magnétique, créée par la diffusion du substrat dans la couche de grenat. Cet effet a été observé pendant les études de cristallisation, et l’épaisseur approximative de cette couche ≈ 2 nm a été déterminée à partir de mesures de rayons X durs et mous.
Jury :
- Jean-Marie GEORGE, DIRECTEUR DE RECHERCHE, CNRS DELEGATION ILE-DE-FRANCE SUD – Rapporteur
- Nathalie VIART, PROFESSEURE DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DE STRASBOURG – Rapporteuse
- Sophie DE BRION, PROFESSEURE DES UNIVERSITES, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES – Examinatrice
- Anne BERNAND-MANTEL, CHARGEE DE RECHERCHE, CNRS DELEGATION OCCITANE OUEST – Examinatrice
- David SPENATO, PROFESSEUR DES UNIVERSITES, UNIVERSITE DE BREST BRETAGNE OCCIDENTALE – Examinateur
Thesis supervisors :
- Laurent RANNO – MAITRE DE CONFERENCES HDR, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES – Directeur de thèse
- Olivier BOULLE – CHARGE DE RECHERCHE HDR, CNRS DELEGATION ALPES – Co-directeur de thèse
