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RÉSUMÉ
Cet article traite de l’électronique de spin, ou spintronique, basée sur l’utilisation non seulement de la charge de l’électron, comme en électronique, mais également de son spin. D’une part, les caractéristiques électriques d’un dispositif dépendent des états d’aimantation des éléments qui le composent, essentiellement via des effets de magnétorésistance. D’autre part, l’injection de courant dans un dispositif peut permettre de contrôler des propriétés magnétiques telles que la direction d’aimantation, via des effets de transfert de spin. Ces propriétés sont à la base du développement des dispositifs spintroniques, en particulier des mémoires et des capteurs.
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Jean-Philippe ATTANÉ : Maître de Conférences - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP, Spintec, Grenoble, France
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Manuel BIBES : Directeur de Recherche - Unité Mixte de Physique, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
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Laurent VILA : Ingénieur CEA - Université Grenoble Alpes, CEA, CNRS, Grenoble INP, Spintec, Grenoble, France
INTRODUCTION
Le développement des techniques de dépôt de couches minces et de lithographie a permis de créer des dispositifs électroniques tirant profit non seulement de la charge de l’électron, mais également de son spin, pour obtenir des fonctionnalités nouvelles et supplémentaires. La combinaison dans des structures de dimensions nanométriques de matériaux magnétiques d’une part, et de matériaux métalliques, semi-conducteurs ou isolants d’autre part, a permis l’émergence d’une nouvelle génération de composants ainsi que d’une nouvelle discipline : l’électronique de spin, ou spintronique. Le transport en spin est dépendant de la direction d’aimantation des nanoéléments magnétiques, ce qui génère des effets de magnétorésistance, c’est-à-dire de dépendance de la conductivité avec la direction de l’aimantation et/ou le champ magnétique appliqué. Ces effets permettent notamment de produire des capteurs extrêmement sensibles, en particulier de champ magnétique. De plus, il est possible de développer des dispositifs de stockage ou de manipulation de données, en particulier en exploitant l’état d’aimantation comme variable, et les effets de transfert de spin afin de renverser l’aimantation. Enfin, l’utilisation d’effets spin-orbite permet une manipulation efficace du spin, éventuellement en l’absence de tout élément ferromagnétique.
Dans le présent article, nous présentons les couches minces et les nanostructures utilisées en électronique de spin (§ 1), dans lesquelles apparaissent différents effets : magnétorésistances (§ 2), transfert de spin (§ 3) ou effets spin-orbite (§ 4). Ces effets permettent en particulier de lire et de contrôler l’état d’aimantation, et ainsi de développer des capteurs (§ 5), des mémoires (§ 6) et des dispositifs spintroniques émergents (§ 7).
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- Version archivée 1 de nov. 2002 par Michel HEHN, François MONTAIGNE, Alain SCHUHL
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5. Capteurs spintroniques
5.1 Capteurs de champ magnétique
Une des applications phare du magnétisme et de l’électronique de spin sont les capteurs de champ magnétiques . La réduction de taille que permet les empilements de types GMR et TMR les ont rendus avantageux commercialement. Ils sont en effet intégrables facilement et leurs petites tailles permettent d’en produire en grand nombre et donc à faibles coûts.
Les applications vont de la boussole dans les téléphones portables aux capteurs de vitesse de l’automobile, de capteurs de position et de déplacements des systèmes motorisés aux têtes de lecture des disques durs. Leur faible encombrement, et donc leur poids, est un avantage par rapport aux capteurs inductifs que sont les « flux gate », les capteurs à effet Hall ou les SQUIDS (Super Conducting Interference devices). La résistance d’un objet magnétique varie avantageusement avec sa taille, et le fait qu’il est basé sur le champ magnétique plutôt que sur une mesure de flux magnétique permet de le rendre petit sans perdre en sensibilité.
Il existe quatre grandes familles de capteurs magnétiques : à effet Hall extraordinaire, à anisotropie de magnétorésistance, à magnétorésistance géante, et à magnétorésistance tunnel. Leur sensibilité peut atteindre la centaine de picotesla, ce qui les limite encore pour les applications de type diagnostiques cardiaques (typiquement 10 picotesla), en géomagnétisme (1 pT) ou pour l’analyse du cerveau (fT), où les capteurs de flux sont alors préférés. Cela leur ouvre néanmoins le vaste domaine d’applications mentionné ci-dessus.
HAUT DE PAGE5.2 Capteurs à effet Hall extraordinaire
Les capteurs à effet Hall extraordinaire se basent sur la déflexion dépendante en spin des électrons. Nous avons vu au paragraphe ...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - SESHAN (K.), SCHEPIS (D.) et al - Handbook of thin film deposition. - William Andrew (2018).
-
(2) - CUI (Z.) - Nanofabrication : principles, capabilities and limits. - Springer (2016).
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(3) - GUIMARÃES (A.P.), GUIMARAES (A.P.) - Principles of nanomagnetism. - Berlin : Springer (2009).
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(4) - COEY (J.) - Magnetism and magnetic materials. - Cambridge university press (2010).
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(5) - DE TERESA (J.M.) et al - Nanofabrication : Nanolithography Techniques and Their Applications. - IOP Publishing (2020).
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(6) - e. g. PONG (P.W.T.), DENNIS (C.), CASTILLO (A.) et al - Detection of pinholes in magnetic tunnel junctions by magnetic coupling. - Journal of Applied Physics, vol. 103, n° 7, p. 07A902...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
– MRAM :
Everspin
Avalanche
https://www.avalanche-technology.com/
Samsung
Honeywell
https://aerospace.honeywell.com/
– Capteurs magnétiques :
Crocus Technology
http://www.crocus-technology.com/
– SOT-MRAM :
Antaios
– Testeurs MRAM :
Hprobe
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Association Européenne du Magnétisme (European Magnetism Association EMA)
...
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