EP4264608A1 - Dispositif de modification de la direction d'aimantation d'une couche magnétique, système spintronique et procédé associés - Google Patents

Dispositif de modification de la direction d'aimantation d'une couche magnétique, système spintronique et procédé associés

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EP4264608A1
EP4264608A1 EP21839960.8A EP21839960A EP4264608A1 EP 4264608 A1 EP4264608 A1 EP 4264608A1 EP 21839960 A EP21839960 A EP 21839960A EP 4264608 A1 EP4264608 A1 EP 4264608A1
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EP
European Patent Office
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layer
ferroelectric
magnetic layer
stack
magnetic
Prior art date
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Pending
Application number
EP21839960.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Philippe ATTANE
Laurent Vila
Manuel Bibes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Thales SA
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Thales SA
Universite Grenoble Alpes
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Thales SA, Universite Grenoble Alpes, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices

Definitions

  • the present invention relates to a device for modifying at least the direction of magnetization of a magnetic layer.
  • the present invention also relates to a spintronic system comprising such a device and to a modification method.
  • Spintronic devices take advantage of the degree of freedom offered by the spin of the electron to offer additional functionalities to conventional electronic devices, based on the charge of the electron, such as the non-volatility of information.
  • the term spin electronics or spintronics is used to refer to such technology.
  • a spin-polarized current in a ferromagnetic or ferrimagnetic element makes it possible to manipulate the direction of magnetization of this element.
  • This spin-polarized current in fact generates a so-called spin transfer torque acting on the magnetization, which has, for example, been used for the operation of spintronic technologies such as magnetic random access memory, based on spin transfer at through a tunnel junction.
  • the current is applied perpendicular to the plane of a magnetic tunnel junction, which makes it possible to reverse the magnetization of one of the layers making up the junction.
  • spin-orbit couples Another way of reversing the magnetization by current application is based on so-called spin-orbit couples. These couples appear in bilayers made of a spin Hall effect material, typically a heavy metal (like Pt, Pd, W, Ta), in contact with a ferromagnetic or ferrimagnetic material (like Co or CoFeB). They can also appear by Rashba-Edelstein effect at the interface between the ferromagnetic or ferrimagnetic element and the ferroelectric element. The spin Hall effect and/or the Rashba-Edelstein effect make it possible to convert a charge current flowing this time in the plane of a stack into a spin current perpendicular to the plane of the stack. This spin current can cause oscillation and/or magnetization reversal of the magnetized layer.
  • a spin Hall effect material typically a heavy metal (like Pt, Pd, W, Ta)
  • ferromagnetic or ferrimagnetic material like Co or CoFeB
  • This technique of modifying the orientation of the magnetization by spin-orbit couple is for example used to create random access magnetic memories based on spin-orbit couples, in which the information encoded in the magnetization state of the ferromagnetic or ferrimagnetic element can be flipped by applying a current in the plane of the layers.
  • This technique can also be used to create shift register type devices, consisting of tracks in which information is encoded via magnetic inhomogeneities, such as magnetic walls or skyrmions, which can be moved by spin-orbit couples.
  • This technique can also be used in spin-orbit oscillators, in which the spin current generated by a charging current in the plane makes it possible to maintain oscillations of the magnetization, so as to generate radio frequency signals.
  • the fundamental element of these devices based on the spin-orbit couple is often a layer of spin Hall effect material in contact with the ferromagnetic or ferrimagnetic element.
  • a charge current in the plane of the stack is converted into spin current by spin Hall effect.
  • This conversion between charge current and spin current is fixed by the nature of the stacking of the layers.
  • the modification of the direction of the magnetization is therefore only controlled by the current flowing in the plane of the stack.
  • the present description relates to a device for modifying at least the direction of magnetization of a magnetic layer
  • the modification device comprising a ferroelectric layer having a ferroelectric polarization, arranged on or under the magnetic layer so as to defining a stack comprising at least the magnetic layer and the ferroelectric layer, a generator capable of injecting an electric current into the stack in a direction parallel to the plane of the layers of the stack, and a modification unit capable of modifying the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer to allow with the generator to modify the direction of magnetization of the magnetic layer.
  • a means of modifying the direction of the magnetization in which this modification depends both on a current flowing in the plane of the stack, and in a non-volatile manner on the polarization of a ferroelectric layer is thus proposed. in particular by applying a voltage to said ferroelectric layer.
  • the device uses a ferroelectric layer, whose state of polarization makes it possible to modify the spin-orbit couple.
  • the modification device has one or more of the following characteristics, taken in isolation or according to all the technically possible combinations: - the ferroelectric polarization modification unit is a voltage source.
  • the magnetic layer is in contact with the ferroelectric layer.
  • the stack comprises an intermediate layer interposed between the ferroelectric layer and the magnetic layer, the intermediate layer comprising a spin Hall effect material, in particular a metal such as platinum or tungsten.
  • the stack comprises an intermediate layer interposed between the ferroelectric layer and the magnetic layer, the intermediate layer advantageously comprising a material chosen from the following list taken alone or in combination: a Weyl semi-metal, a two-dimensional material, in particular graphene , a transition metal dichalcogenide, and a topological insulator.
  • the ferroelectric layer is in contact with a protective layer.
  • the protective layer makes it possible to protect a gas of two-dimensional electrons forming on the surface of the ferroelectric layer.
  • the protective layer is obtained by depositing at least 80% of a reducing metallic element from columns 3d, 4d, 5d, 4f, 5f of the periodic table or a combination of these elements.
  • the description also describes a spintronic system comprising a magnetic layer, a device for modifying at least the direction of magnetization of the magnetic layer, the modification device being as previously described, and a unit for reading the magnetization of the magnetic layer, the read unit being, for example, a magnetic tunnel junction.
  • the spintronic system is chosen from among a memory, a shift register, an oscillator, part of a logic or neuromorphic device, and a radio frequency transmitter or receiver.
  • the spintronic system is a shift register based on the propagation of magnetic domain walls or skyrmions.
  • the spintronic system is part of a logic or neuromorphic device based on the propagation of magnetic domain walls or skyrmions or spin waves.
  • the description also relates to a method for modifying at least the direction of magnetization of a magnetic layer, the method comprising a step of modifying the magnetization of the magnetic layer by modifying the ferroelectric polarization of a ferroelectric layer arranged on or under the magnetic layer, so as to define a stack comprising at least the magnetic layer and the ferroelectric layer, and by injecting an electric current into the stack in a direction parallel to the plane of the layers of the stack.
  • the modification of the ferroelectric polarization is implemented by applying an electric voltage to the ferroelectric layer.
  • FIG. 1 a schematic representation of a magnetic layer and an example of a device for modifying at least one magnetic property of the magnetic layer
  • FIG. 4 a schematic representation of the magnetic layer and another example of a device for modifying at least one magnetic property of the magnetic layer.
  • the present invention is based on a new technique for modifying a magnetic property of a magnetic layer, it is first presented how to physically implement such a technique by describing a specific modification device before explaining how such a device modification makes it possible to obtain a spintronic system which offers more functionality thanks to the degrees of freedom obtained by this new technique.
  • FIG. 1 thus presents a physical implementation of the aforementioned new technique. More specifically, a magnetic layer 10 and a modification device 12 are represented in FIG.
  • the magnetic layer 10 is a monolayer or a ferromagnetic and/or ferrimagnetic multi-layer.
  • the material or all the materials forming the monolayer or the multi-layer form a ferromagnetic and/or ferrimagnetic assembly even if some of the materials entering into the composition of said layer are intrinsically non-ferromagnetic and/or non-ferrimagnetic.
  • the magnetic element of this spin-polarizing mono or multilayer is a Heusler alloy, for example CusMnAl, CusMnln, CusMnSn, NfiMnAl, NfiMnln, NfiMnSn, NfiMnSb, NipMnGa CosMnAl, CosMnSi, CosMnGa, CosMnGe, PchMnAI, PdsMnln, PdsMnSn, PdsMnSb, CosFeSi, CosFeAl, FesVAI, MnpVGa, CosFeGe, MnGa, or MnGaRu.
  • a Heusler alloy for example CusMnAl, CusMnln, CusMnSn, NfiMnAl, NfiMnln, NfiMnSn, NfiMnSb, NipMnGa Co
  • the ferromagnetic and/or ferrimagnetic material is based on 3d elements such as Fe, Ni, Cr, Mn, Co, used pure or in the form of multilayers or alloys, with one another or with other elements, such as for example CoPtCr, CoFe, CoFeB, CoNi, NiFe, FePt or FePd.
  • 3d elements such as Fe, Ni, Cr, Mn, Co, used pure or in the form of multilayers or alloys, with one another or with other elements, such as for example CoPtCr, CoFe, CoFeB, CoNi, NiFe, FePt or FePd.
  • the ferromagnetic and/or ferrimagnetic material may comprise alloys based on rare earths, such as for example Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, or Dy.
  • the ferromagnetic and/or ferrimagnetic material may comprise nitrogen compounds such as Mn 4 N.
  • the magnetic layer 10 has a thickness of between 0.1 nanometer (nm) and 200 nm.
  • the thickness is the distance between the two faces of the magnetic layer 10 in the direction perpendicular to the plane in which the magnetic layer 10 mainly extends.
  • the thickness of the magnetic layer 10 is between 0.1 nm and 20 nm.
  • the magnetic layer 10 has magnetic properties including magnetization.
  • the magnetization of this magnetic layer is its volume density of magnetic moment.
  • This magnetization is a vector quantity, and it is not necessarily uniform in the layer, i.e. its direction is variable from one point to another of the magnetic layer. It is understood by the direction of magnetization of the magnetic layer the direction of the magnetization in each point of this layer. A modification of the direction of magnetization of the layer can therefore concern the whole layer or only part of the layer.
  • the modification device 12 is a modification device 12 of at least one magnetic property of the magnetic layer 10.
  • the modification device 12 is capable of modifying the direction of magnetization of the magnetic layer 10.
  • the modification device 12 comprises a ferroelectric layer 14, a current generator 16 and a modification unit 18.
  • Ferroelectric layer 14 is placed on or under magnetic layer 10 so as to define a stack 19 comprising at least magnetic layer 10 and ferroelectric layer 14. In the example of Figure 1, the ferroelectric layer 14 is in contact with the magnetic layer 10.
  • the ferroelectric layer 14 is composed of a single or a multilayer comprising one or more materials providing ferroelectric properties to the resulting layer.
  • the ferroelectric layer 14 comprises a material advantageously having a perovskite structure.
  • the ferroelectric layer 14 comprises BaTiOs, PZT, PMN-PT, BiFeOs, or SrTiOs, or another ABO3 type element where A and B are two cations, or even a mixture of these materials.
  • PZT designates the element PbZri. x Ti x O3 where x can vary between 0 and 1 .
  • BiFeOs or SrTiOs can optionally be doped.
  • BiFeOs can be doped with rare earths.
  • ferroelectric materials not having a perovskite structure can be envisaged.
  • poly(vinylidene fluoride) also designated by the acronym PVDF referring to the English term "Polyvinylidene Fluoride”
  • CsBiNbsOy Or the element (Hfi- x Zr x )02 or (Hfi. x Ga x )C>2 (with x varying between 0 and 1).
  • two-dimensional ferroelectric materials such as transition metal dichalcogenides, such as WTe2 or M0S2 or MoSe2, or CulnP 2 S6 can be used.
  • the material can be a material which is not spontaneously ferroelectric but which can become ferroelectric by applying a stress, or an electric field, or by doping.
  • the ferroelectric layer 14 has a ferroelectric bias.
  • the ferroelectric layer 14 has an appropriate thickness so that its polarization can be reversed.
  • a thickness of less than 100 nm and advantageously less than 50 nm is an appropriate thickness.
  • the modification unit 18 which is capable of modifying the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 14.
  • the modification unit 18 is a voltage source, the variation of the voltage making it possible to modify the polarization.
  • An example of a voltage source is a voltage generator supplying the ferroelectric layer 14. This voltage generator is then connected to the stack 19 by contacts arranged for example on either side of the stack 19.
  • this is a transistor or a set of transistors produced for example by integrated circuits and electrically connected to the ferroelectric layer 14.
  • current generator 16 is capable of injecting current into stack 19 in a direction parallel to the plane of the layers of stack 19.
  • the layer plane of stack 19 is a plane in which the layers of stack 19 extend.
  • the modification unit 18 is thus able to modify the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 14, to allow with the generator 16 to modify the direction of magnetization of the magnetic layer 10.
  • the direction of magnetization of the magnetic layer 10 is linked to the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 14 and to the electric current flowing in the stack 19.
  • the polarization of the ferroelectric layer 14 and the application of a current in the stack 19 make it possible, between them, to control the direction of the magnetization of the magnetic layer 10.
  • ferroelectric layer 14 is arranged spatially with respect to the magnetic layer to modify the direction of the magnetization of the latter under the effect of the current injected by the current generator 16.
  • the modifying device 12 converts the charging motion (charging current) from the current injected by the current generator 16 into a flux of spin magnetic moment (spin current) in the magnetic layer.
  • Such a charge current to spin current conversation is, for example, obtained by the Rashba-Edelstein effect.
  • the Rashba-Edelstein effect allows the conversion of a charge current into a spin current at the surface of a topological insulator or at an interface or in the volume of certain materials. It appears when the inversion symmetry is broken, which results in the appearance of an electric field perpendicular to the plane of the stack 19. This is for example possibly the case of the interface between the magnetic layer 10 and the ferroelectric layer 14.
  • the electron wave vector and the spin are coupled; spin degeneracy is lifted and in the simplest case the electronic structure of the surface or interface consists of two concentric Fermi contours with opposite spin chirality.
  • Controlling the state of the polarization of the ferroelectric layer 14 therefore makes it possible to control the properties of the spin current flowing in the magnetic layer 10 after injection of a charging current and thus to modify the direction of magnetization.
  • the stack 19 comprises a spin Hall effect material
  • the charge current to spin current conversion can be obtained by spin Hall effect and here again, the polarization of the ferroelectric layer 14 makes it possible to control the amplitude of the spin Hall effect conversion and therefore the magnetization of the magnetic layer 10.
  • a current applied in the stack 19 creates an accumulation of spin, these spins being in the plane of the stack 19, and orthogonal to the applied current.
  • the diffusion of these spins in the adjacent magnetic layer 10 corresponds to a spin current, which generates a torque acting on the magnetization and making it possible to modify the direction of this magnetization.
  • the magnitude and sign of the spin current is controlled by the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 14.
  • the modification device 12 is thus capable of implementing a method of modifying the direction of magnetization of the magnetic layer 10.
  • the method comprises a step of modifying the magnetization of the magnetic layer 10 by modifying the ferroelectric polarization of the ferroelectric layer 14 and by injecting an electric current into the stack 19 in a direction parallel to the plane of the layers of the stacking 19.
  • the modification of the ferroelectric polarization is implemented by applying an electric voltage to the ferroelectric layer 14.
  • the modification unit 18 therefore makes it possible to control the direction of magnetization of the magnetic layer 10 provided that a charging current is injected into the stack 19.
  • the additional degree of freedom provided by the voltage makes it possible to envisage using the modification device 12 in a spintronic system so that the layer magnetic 10 can provide, in combination with other elements, additional functionalities such as memorization or reprogrammability.
  • the modification device 12 is thus particularly advantageous in a spintronic system 30 as represented in FIG. 2.
  • the spintronic system 30 comprises the magnetic layer 10, the modification device 12 of FIG. 1 and a unit 32 for reading the magnetization of the magnetic layer 10.
  • the magnetization reading unit 32 of the magnetic layer 10 is suitable for determining the direction of the magnetization of the magnetic layer 10.
  • the reader unit 32 is a magnetic tunnel junction.
  • a magnetic tunnel junction is a stack of a magnetic layer separated from a free layer by a barrier layer.
  • the free layer is the layer that can overturn under the effect of the spin-orbit couple.
  • the barrier layer is, for example, made of MgO or Al2O3.
  • the reading unit 32 is positioned above the stack 19.
  • the reading unit 32 is positioned below the stack 19.
  • the read unit 32 can be a stack of layers with giant magnetoresistance, an extraordinary Hall effect read unit in the magnetic layer 10, a unit planar Hall effect readout unit, or an anisotropic magnetoresistance readout unit.
  • the reading unit 32 makes it possible to obtain information which is encoded in the magnetic properties of the magnetic layer 10.
  • the spintronic system 30 is a memory
  • the information is encoded in the magnetization direction of the magnetic layer 10.
  • the memory functions as a so-called Spin-Orbit Couple Magnetic Memory, in which the magnetization state depends on the sign of the current pulse sent into the stack plane.
  • the state of magnetization written in the magnetic layer 10 also depends on the state of polarization of the ferroelectric layer 14, which can change in sign and in amplitude the torque acting on the magnetization.
  • the magnetization state is described by 0 or 1, these values corresponding to opposite magnetizations, it is possible to transition from state 0 to state 1 by applying a current in the positive plane, if the polarization is positive. he is also possible to transit from 0 to 1 by applying a current in the negative plane, if the polarization is negative. This makes it possible, for example, to use always positive currents to write the information, by changing the state of ferroelectric polarization to control the state of magnetization stored in memory.
  • the information is encoded in the positions or configurations of magnetic inhomogeneities such as walls of magnetic domains, skyrmions or spin waves propagating in the magnetic layer 10.
  • modifying the ferroelectric polarization makes it possible to modify the propagation of one of the aforementioned elements (wall / skyrmion / spin wave).
  • the modification can be a modification of the speed (acceleration or deceleration, even a change of sign or a stop) or of the amplitude (amplification or attenuation).
  • the control of the polarization at certain points of the circuit makes it possible to locally control the spin-orbit couple, and therefore the displacement and the behavior of walls, skyrmions or spin waves.
  • the use of the remanence of the ferroelectric polarization can make it possible to reconfigure such devices.
  • control device 12 therefore provides an additional degree of freedom resulting in an improvement in the function performed by the control device 12.
  • Such a contribution is advantageous for multiple spintronic systems 30, including a memory, a shift register, part of a logic or neuromorphic device, an oscillator, a radio frequency transmitter or a radio frequency receiver.
  • the spintronic system 30 is a spin-transfer spin-orbit oscillator, the torque acting on the magnetization making it possible to drive the oscillation of the magnetization at frequencies of the order of GHz , thus generating a microwave signal for wireless telecommunications.
  • this type of device is a receiver, the reception of a microwave signal causing the oscillation of the magnetization of the magnetic layer 10, thus generating a DC voltage in the plane of the stack .
  • the control device 12 does not apply any current in the plane of the stack, but only measures the DC voltage created in the plane of the stack by the oscillation of magnetization.
  • the modification device 12 of FIG. 4 has the same elements as the modification device 12 of FIG. 1. Also, the common elements are not repeated in what follows. Only the differences are presented in the following.
  • the modification device 12 further comprises an intermediate layer 34 interposed between the magnetic layer 10 and the ferroelectric layer 14.
  • the intermediate layer 34 can be made of multiple materials.
  • the intermediate layer 34 is made of a spin-orbit material and has a thickness of less than 50 nm and advantageously less than 10 nm
  • a spin-orbit material is a material for converting a charge current into a spin current.
  • the spin-orbit material is advantageously one of the following: beta-Tantalum (beta-Ta), BiSb, Ta, beta-Tungsten (beta-W), W, Pt and Cu or Au doped with elements from columns 3d, 4d, 5d, 4f, 5f of Mendele ⁇ ev's table such as W, Ta or Bi.
  • the intermediate layer 34 may comprise a two-dimensional material, optionally doped, alone or in combination with other materials.
  • Graphene, BiSes, BiS, TiS, NiPSs, WS2, M0S2, TiSe2, VSe2, MoSe2, B2S3, Sb2S, LaCPS2, LaOAsS2, ScOBiS2, FePSs, GaOBiS2 , AIOBIS2, LaOSbS2, BiOBiS2, LaOBiSe2, TiOBiS2, CeOBiS2, ProBiS2, NdOBiS2, LaOBiS2, CrGeT es, CrSiT es or SrFBiSs are examples of two-dimensional materials.
  • intermediate layer 34 may comprise a Weyl semi-metal alone or in combination with other materials.
  • TaAs, TaP, NbAs, NbP, NasBi, CdsAss, WTe 2 , and MoTe 2 are examples of Weyl semimetals that can be used in interlayer 34.
  • the intermediate layer 34 comprises a topological insulator.
  • a topological insulator is a material having an insulator-like band structure but which has metallic surface states.
  • the intermediate layer 34 may comprise a transition metal dichalcogenide.
  • the material of the intermediate layer 34 is a material having a chemical formula written ROCh 2 in which the element R is chosen from the list consisting of La, Ce, Pr, Nd , Sr, Sc, Ga, Al and In and the element Ch is chosen from the list consisting of S, Se and Te.
  • the material of the intermediate layer 34 is advantageously a spin-orbit material and in particular a Weyl semi-metal and/or a topological insulator and/or a two-dimensional material and/or a transition metal dichalcogenide and/or a oxide (for example LaAlOs) and/or even a metal such as platinum or tungsten.
  • a spin-orbit material and in particular a Weyl semi-metal and/or a topological insulator and/or a two-dimensional material and/or a transition metal dichalcogenide and/or a oxide (for example LaAlOs) and/or even a metal such as platinum or tungsten.
  • the operation of the modification device 12 according to FIG. 4 is similar to the operation described for the modification device 12 according to FIG. 4.
  • the ferroelectric layer 14 is in contact with a protective layer.
  • the protective layer makes it possible to create and/or protect an electron gas forming on the surface of the ferroelectric layer 14.
  • the protective layer is a layer comprising at least 80% in atomic proportion of a metallic element from columns 3d, 4d, 5d, 4f, 5f of the periodic table such as Al, Ta, Ru, Ir, Mo, Ti, Y, Au, or a combination of these elements such as AITa.
  • This protective layer will oxidize partially or totally, creating oxygen vacancies in the ferroelectric element 14 and thus generating a two-dimensional gas of electrons at the interface between the metallic element, having a density of carriers greater than 1 O 10 cm -2 .
  • the protective layer is made of Ru, Al, Ta, Ti, Mg or Y.
  • the magnetic layer 10 is nanostructured.
  • Such nanostructuring can in particular be carried out by using a lithography technique. This makes it possible to obtain, for example, a set of nanoelements having one or more dimensions in the plane of the stack of less than 100 nm. Such a configuration is advantageous for the case of memories or parts of neuromorphic devices.
  • this makes it possible to produce nanotracks, in particular tracks having a width of less than 200 nm, suitable for the case of devices based on the use of domain walls or skyrmions.
  • the ferroelectric layer 14 is nanostructured.
  • modification device 12 can include any combination of the aforementioned embodiments.
  • the modification device 12 makes it possible to modify at least one magnetic property of a magnetic layer (the direction of magnetization here) which offers more degrees of freedom for a spintronic system 30 which would include such a modification device. 12.

Landscapes

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de modification (12) d'au moins la direction d'aimantation d'une couche magnétique (10), le dispositif de modification (12) comportant : - une couche ferroélectrique (14) présentant une polarisation ferroélectrique, disposée sur ou sous la couche magnétique (10) de sorte à définir un empilement (19) comportant au moins la couche magnétique (10) et la couche ferroélectrique (14), - un générateur (16) apte à injecter un courant électrique dans l'empilement selon une direction parallèle au plan des couches de l'empilement (19), et - une unité de modification (18) apte propre à modifier la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique (14), pour permettre avec le générateur (16) de modifier la direction d'aimantation de la couche magnétique (10).

Description

Dispositif de modification de la direction d’aimantation d’une couche magnétique, système spintronique et procédé associés
La présente invention concerne un dispositif de modification d’au moins la direction d’aimantation d’une couche magnétique. La présente invention se rapporte également à un système spintronique comprenant un tel dispositif et à un procédé de modification.
Les dispositifs spintroniques tirent parti du degré de liberté offert par le spin de l'électron pour offrir des fonctionnalités supplémentaires aux dispositifs électroniques conventionnels, basés sur la charge de l’électron, tels que la non-volatilité de l’information. Le terme d’électronique de spin ou spintronique est utilisé pour désigner une telle technologie.
L’application d’un courant polarisé en spin dans un élément ferromagnétique ou ferrimagnétique permet de manipuler la direction d'aimantation de cet élément. Ce courant polarisé en spin génère en effet un couple dit de transfert de spin agissant sur l’aimantation, qui a, par exemple, été utilisé pour le fonctionnement de technologies spintroniques comme la mémoire magnétique à accès aléatoire, basée sur le transfert de spin au travers d’une jonction tunnel. Dans ces mémoires, le courant est appliqué perpendiculairement au plan d’une jonction tunnel magnétique, ce qui permet de renverser l’aimantation d’une des couches composant la jonction.
Une autre manière de renverser l’aimantation par application de courant est basée sur les couples dits spin-orbite. Ces couples apparaissent dans des bicouches constituées d’un matériau a effet Hall de spin, typiquement un métal lourd (comme Pt, Pd, W, Ta), en contact avec un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique (comme Co ou CoFeB). Ils peuvent également apparaître par effet Rashba-Edelstein à l’interface entre l’élément ferromagnétique ou ferrimagnétique et l’élément ferroélectrique. L’effet Hall de spin et/ou l’effet Rashba-Edelstein permettent de convertir un courant de charge circulant cette fois dans le plan d’un empilement en un courant de spin perpendiculaire au plan de l’empilement. Ce courant de spin peut entrainer la mise en oscillation et/ou le renversement d’aimantation de la couche aimantée.
Cette technique de modification de l’orientation de l’aimantation par couple spin- orbite est par exemple utilisée pour créer des mémoires magnétiques à accès aléatoire basées sur des couples spin-orbite, dans lesquelles l’information codée dans l’état d’aimantation de l’élément ferromagnétique ou ferrimagnétique peut être renversé en appliquant un courant dans le plan des couches. Cette technique peut également être utilisée pour créer des dispositifs de type registre à décalage, constitués de pistes dans lesquelles l’information est codée via des inhomogénéités magnétiques, comme des parois magnétiques ou des skyrmions, qui peuvent être déplacées par couples spin-orbite. Cette technique peut encore être utilisée dans des oscillateurs spin-orbite, dans lesquels le courant de spin généré par un courant de charge dans le plan permet d’entretenir des oscillations de l’aimantation, de manière à générer des signaux radiofréquence.
L’élément fondamental de ces dispositifs basés sur le couple spin-orbite est souvent une couche de matériau à effet Hall de spin en contact avec l’élément ferromagnétique ou ferrimagnétique. Un courant de charge dans le plan de l’empilement est converti en courant de spin par Effet Hall de spin. Cette conversion entre courant de charge et courant de spin est fixée par la nature de l’empilement des couches. La modification de la direction de l’aimantation est donc uniquement contrôlée par le courant circulant dans le plan de l’empilement.
Il existe donc un besoin pour un dispositif de modification d’au moins une propriété magnétique d’une couche magnétique qui offre plus de degrés de liberté pour un système spintronique qui comprendrait un tel dispositif de modification.
Pour cela, la présente description porte sur un dispositif de modification d’au moins la direction d’aimantation d’une couche magnétique, le dispositif de modification comportant une couche ferroélectrique présentant une polarisation ferroélectrique, disposée sur ou sous la couche magnétique de sorte à définir un empilement comportant au moins la couche magnétique et la couche ferroélectrique, un générateur apte à injecter un courant électrique dans l’empilement selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement, et une unité de modification propre à modifier la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique pour permettre avec le générateur de modifier la direction d’aimantation de la couche magnétique.
Il est ainsi proposé un moyen de modification de la direction de l’aimantation dans laquelle cette modification dépend à la fois d’un courant circulant dans le plan de l’empilement, et de manière non-volatile de la polarisation d’une couche ferroélectrique notamment par l’application d’une tension sur ladite couche ferroélectrique. En effet, le dispositif utilise une couche ferroélectrique, dont l’état de polarisation permet de modifier le couple spin-orbite.
Ce degré de liberté supplémentaire pourra permettre d’ajouter des fonctionnalités à ces dispositifs, comme des fonctions logiques en plus de la mémoire, ou encore la reprogrammabilité.
Selon des modes de réalisation particuliers, le dispositif de modification présente une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l’unité de modification de la polarisation ferroélectrique est une source de tension.
- la couche magnétique est en contact avec la couche ferroélectrique.
- au moins une couche parmi la couche magnétique et la couche ferroélectrique est nanostructurée.
- l’empilement comporte une couche intermédiaire intercalée entre la couche ferroélectrique et la couche magnétique, la couche intermédiaire comportant un matériau à effet Hall de spin, notamment un métal tel du platine ou du tungstène.
- l’empilement comporte une couche intermédiaire intercalée entre la couche ferroélectrique et la couche magnétique, la couche intermédiaire comportant avantageusement un matériau choisi dans la liste suivante pris seul ou en combinaison : un semi-métal de Weyl, un matériau bidimensionnel, notamment du graphène, un dichalcogénure de métaux de transition, et un isolant topologique.
- la couche ferroélectrique est en contact avec une couche protectrice.
- la couche protectrice permet de protéger un gaz d’électrons bidimensionnel se formant à la surface de la couche ferroélectrique.
- la couche protectrice est obtenue par le dépôt à au moins 80% d’un élément métallique réducteur des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f de la classification périodique ou une combinaison de ces éléments.
La description décrit également un système spintronique comprenant une couche magnétique, un dispositif de modification d’au moins la direction d’aimantation de la couche magnétique, le dispositif de modification étant tel que précédemment décrit, et une unité de lecture de l’aimantation de la couche magnétique, l’unité de lecture étant, par exemple, une jonction tunnel magnétique.
Suivant un mode de réalisation particulier, le système spintronique est choisi parmi une mémoire, un registre à décalage, un oscillateur, une partie d’un dispositif logique ou neuromorphique, et un émetteur ou un récepteur radiofréquence.
En particulier, le système spintronique est un registre à décalage basé sur la propagation de parois de domaines magnétiques ou de skyrmions.
En variante, le système spintronique est une partie d’un dispositif logique ou neuromorphique basé sur la propagation de parois de domaines magnétiques ou de skyrmions ou d’ondes de spin.
La description concerne aussi un procédé de modification d’au moins la direction d’aimantation d’une couche magnétique, le procédé comportant une étape de modification de l’aimantation de la couche magnétique par modification de la polarisation ferroélectrique d’une couche ferroélectrique disposée sur ou sous la couche magnétique, de sorte à définir un empilement comportant au moins la couche magnétique et la couche ferroélectrique, et par injection d’un courant électrique dans l’empilement selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement.
Suivant un mode de réalisation particulier, la modification de la polarisation ferroélectrique est mise en œuvre par application d’une tension électrique sur la couche ferroélectrique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple uniquement et en référence aux dessins qui sont :
- figure 1 , une représentation schématique d’une couche magnétique et d’un exemple de dispositif de modification d’au moins une propriété magnétique de la couche magnétique,
- figure 2, une représentation schématique d’un exemple de système spintronique,
- figure 3, une représentation schématique d’un autre exemple de système spintronique, et
- figure 4, une représentation schématique de la couche magnétique et d’un autre exemple de dispositif de modification d’au moins une propriété magnétique de la couche magnétique.
Comme la présente invention repose sur une nouvelle technique de modification d’une propriété magnétique d’une couche magnétique, il est d’abord présenté comment implémenter physiquement une telle technique en décrivant un dispositif de modification spécifique avant d’expliquer comment un tel dispositif de modification permet d’obtenir un système spintronique qui offre plus de fonctionnalité grâce aux degrés de liberté obtenus par cette nouvelle technique.
La figure 1 présente ainsi une implémentation physique de la nouvelle technique précitée. Plus spécifiquement, une couche magnétique 10 et un dispositif de modification 12 sont représentés sur la figure 1 .
Par définition, la couche magnétique 10 est une monocouche ou une multi-couche ferromagnétique et/ou ferrimagnétique. Autrement dit, le matériau ou l’ensemble des matériaux formant la monocouche ou la multi-couche forment un ensemble ferromagnétique et/ou ferrimagnétique même si certains des matériaux entrant dans la composition de ladite couche sont intrinsèquement non ferromagnétiques et/ou non ferrimagnétiques.
Selon un premier exemple, l’élément magnétique de cette mono ou multi couches polarisant en spin est un alliage Heusler, par exemple CusMnAI, CusMnln, CusMnSn, NfiMnAI, NfiMnln, NfiMnSn, NfiMnSb, NipMnGa CosMnAI, CosMnSi, CosMnGa, CosMnGe, PchMnAI, PdsMnln, PdsMnSn, PdsMnSb, CosFeSi, CosFeAl, FesVAI, MnpVGa, CosFeGe, MnGa, ou MnGaRu.
Dans un deuxième exemple, le matériau ferromagnétique et/ou ferrimagnétique est à base d’élément 3d tels que Fe, Ni, Cr, Mn, Co, utilisés purs ou sous forme de multicouches ou d’alliages, entre eux ou avec d’autres éléments, comme par exemple CoPtCr, CoFe, CoFeB, CoNi, NiFe, FePt ou FePd.
Dans un troisième exemple, le matériau ferromagnétique et/ou ferrimagnétique peut comporter des alliages à base de terres rares, comme par exemple Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, ou Dy.
Dans un quatrième exemple, le matériau ferromagnétique et/ou ferrimagnétique peut comporter des composés azotés tels que Mn4N.
La couche magnétique 10 présente une épaisseur comprise entre 0,1 nanomètre (nm) et 200 nm.
Par définition, l’épaisseur est la distance entre les deux faces de la couche magnétique 10 dans la direction perpendiculaire au plan dans lequel s’étend principalement la couche magnétique 10.
De préférence, l’épaisseur de la couche magnétique 10 est comprise entre 0,1 nm et 20 nm.
La couche magnétique 10 présente des propriétés magnétiques parmi lesquels l’aimantation.
L’aimantation de cette couche magnétique est sa densité volumique de moment magnétique. Cette aimantation est une grandeur vectorielle, et elle n’est pas nécessairement uniforme dans la couche, c’est-à-dire que sa direction est variable d’un point à l’autre de la couche magnétique. Il est entendu par la direction d’aimantation de la couche magnétique la direction de l’aimantation en chaque point de cette couche. Une modification de la direction d’aimantation de la couche peut donc concerner toute la couche ou seulement une partie de la couche.
Le dispositif de modification 12 est un dispositif de modification 12 d’au moins une propriété magnétique de la couche magnétique 10.
Dans l’exemple décrit, le dispositif de modification 12 est propre à modifier la direction d’aimantation de la couche magnétique 10.
Le dispositif de modification 12 comprend une couche ferroélectrique 14, un générateur de courant 16 et une unité de modification 18.
La couche ferroélectrique 14 est disposée sur ou sous la couche magnétique 10 de sorte à définir un empilement 19 comportant au moins la couche magnétique 10 et la couche ferroélectrique 14. Dans l’exemple de la figure 1 , La couche ferroélectrique 14 est en contact avec la couche magnétique 10.
La couche ferroélectrique 14 est composée d’une mono ou d’une multicouche comportant un ou des matériaux assurant des propriétés ferroélectriques à la couche résultante.
Selon l’exemple de la figure 1 , la couche ferroélectrique 14 comporte un matériau présentant avantageusement une structure pérovskite.
Par exemple, la couche ferroélectrique 14 comporte du BaTiOs, du PZT, du PMN- PT, du BiFeOs, ou du SrTiOs, ou un autre élément de type ABO3 où A et B sont deux cations, ou encore un mélange de ces matériaux.
L’acronyme PZT désigne l’élément PbZri.xTixO3 où x peut varier entre 0 et 1 .
Les éléments comme BiFeOs ou SrTiOs peuvent éventuellement être dopés. Par exemple, le BiFeOs peut être dopé par des terres rares.
En variante, des matériaux ferroélectriques ne présentant pas une structure pérovskite sont envisageables. Notamment, il peut être cité le poly(fluorure de vinylidène) (aussi désigné par le sigle PVDF renvoyant au terme anglais de « Polyvinylidene Fluoride ») ou le CsBiNbsOy Ou l’élément (Hfi-xZrx)02 ou (Hfi.xGax)C>2 (avec x variant entre 0 et 1 ).
En variante, des matériaux ferroélectriques bidimensionnels tels que des dichalcogénures de métaux de transitions, comme WTe2 ou M0S2 ou MoSe2, ou CulnP2S6 peuvent être utilisés.
En variante également des matériaux semiconducteurs ferroélectriques Rashba comme par exemple GeTe ou encore Gei-xMnxTe (avec X variant entre 0 et 1 ), éventuellement dopé ou substitué avec du Sn, ou encore AgBiP2X6 (X = S, Se and Te), ou encore LiZnSb, LiGaGe, KMgSb, LiBeBi, NaZnSb, LiCaBi peuvent être utilisés.
En variante, le matériau peut être un matériau qui n’est pas spontanément ferroélectrique mais qui peut devenir ferroélectrique en appliquant une contrainte, ou un champ électrique, ou par dopage.
La couche ferroélectrique 14 présente une polarisation ferroélectrique.
La couche ferroélectrique 14 présente une épaisseur appropriée pour que sa polarisation puisse être renversée. A titre indicatif, dans le domaine de la microélectronique pour lequel les tensions compatibles sont généralement inférieures à 10 Volts, typiquement une épaisseur inférieure à 100 nm et avantageusement inférieure à 50 nm est une épaisseur appropriée.
Dans l’exemple de la figure 1 , c’est l’unité de modification 18 qui est propre à modifier la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 14. Selon l’exemple proposé, l’unité de modification 18 est une source de tension, la variation de la tension permettant de modifier la polarisation.
Un exemple de source de tension est un générateur de tension alimentant la couche ferroélectrique 14. Ce générateur de tension est connecté alors à l’empilement 19 par des contacts disposés par exemple de part et d’autre de l’empilement 19.
Selon un autre exemple de source de tension, celle-ci est un transistor ou un ensemble de transistors réalisés par exemples par des circuits intégrés et reliés électriquement à la couche ferroélectrique 14.
Par ailleurs, le générateur de courant 16 est propre à injecter du courant dans l’empilement 19 selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement 19.
Le plan des couches de l’empilement 19 est un plan dans lequel les couches de l’empilement 19 s’étendent.
L’unité de modification 18 est ainsi apte à modifier la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 14, pour permettre avec le générateur 16 de modifier la direction d’aimantation de la couche magnétique 10.
En effet, la direction d’aimantation de la couche magnétique 10 est liée à la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 14 et au courant électrique circulant dans l’empilement 19.
Autrement formulé, la polarisation de la couche ferroélectrique 14 et l’application d’un courant dans l’empilement 19 permettent, à eux deux, de contrôler la direction de l’aimantation de la couche magnétique 10.
Cela implique que la couche ferroélectrique 14 est agencée spatialement par rapport à la couche magnétique pour modifier la direction de l’aimantation de celle-ci sous l’effet du courant injecté par le générateur de courant 16.
Plus précisément, en fonctionnement, le dispositif de modification 12 convertit le mouvement de charge (courant de charge) provenant du courant injecté par le générateur de courant 16 en un flux de moment magnétique de spin (courant de spin) dans la couche magnétique.
Une telle conversation courant de charge vers courant de spin est, par exemple, obtenue par effet Rashba-Edelstein.
L’effet Rashba-Edelstein permet la conversion d’un courant de charge en un courant de spin à la surface d’un isolant topologique ou à une interface ou dans le volume de certains matériaux. Il apparaît lorsque la symétrie d’inversion est brisée, ce qui résulte en l’apparition d’un champ électrique perpendiculaire au plan de l’empilement 19. C’est par exemple possiblement le cas de l’interface entre la couche magnétique 10 et la couche ferroélectrique 14. En présence d’un effet Rashba-Edelstein, le vecteur d’onde des électrons et le spin sont couplés ; la dégénérescence de spin est levée et dans le cas le plus simple, la structure électronique de la surface ou de l’interface consiste en deux contours de Fermi concentriques présentant des chiralités de spin opposées.
Lorsqu’un courant de charge est injecté par le générateur de courant 16 dans la l’empilement 19, l’effet Rashba-Edelstein fait qu’un décalage opposé mais non-équivalent des contours de Fermi se produit, ce qui génère un courant de spin.
Comme l’amplitude de l’effet Rashba-Edelstein dépend de la direction de la polarisation de la couche ferroélectrique 14, la conversion précitée en dépend également, de sorte que le courant de spin et donc la direction d’aimantation en dépendent aussi.
Contrôler l’état de la polarisation de la couche ferroélectrique 14 permet donc de contrôler les propriétés du courant de spin circulant dans la couche magnétique 10 après injection d’un courant de charge et ainsi de modifier la direction d’aimantation.
En variante, si l’empilement 19 comporte un matériau à effet Hall de spin la conversion courant de charge vers courant de spin peut être obtenue par effet Hall de spin et là encore, la polarisation de la couche ferroélectrique 14 permet de contrôler l’amplitude de la conversion par effet Hall de spin et donc l’aimantation de la couche magnétique 10.
Dans tous les cas, un courant appliqué dans l’empilement 19 créé une accumulation de spin, ces spins étant dans le plan de l’empilement 19, et orthogonaux au courant appliqué. La diffusion de ces spins dans la couche magnétique 10 adjacente correspond à un courant de spin, qui génère un couple agissant sur l’aimantation et permettant de modifier la direction de cette aimantation. L’amplitude et le signe du courant de spin est contrôlé par la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 14.
Dans tous les cas, le dispositif de modification 12 est ainsi propre à mettre en œuvre un procédé de modification de la direction d’aimantation de la couche magnétique 10.
Le procédé comporte une étape de modification de l’aimantation de la couche magnétique 10 par modification de la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique 14 et par injection d’un courant électrique dans l’empilement 19 selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement 19.
Dans le cas de la figure 1 , la modification de la polarisation ferroélectrique est mise en œuvre par application d’une tension électrique sur la couche ferroélectrique 14.
L’unité de modification 18 permet donc de contrôler la direction d’aimantation de la couche magnétique 10 pourvu qu’un courant de charge soit injecté dans l’empilement 19.
Le degré de liberté supplémentaire apporté par la tension permet d’envisager d’utiliser le dispositif de modification 12 dans un système spintronique pour que la couche magnétique 10 puisse procurer en combinaison avec d’autres éléments des fonctionnalités complémentaires comme la mémorisation ou la reprogrammabilité.
Le dispositif de modification 12 est ainsi particulièrement avantageux dans un système spintronique 30 tel que représenté sur la figure 2.
Le système spintronique 30 comprend la couche magnétique 10, le dispositif de modification 12 de la figure 1 et une unité de lecture 32 de l’aimantation de la couche magnétique 10.
L’unité de lecture 32 de l’aimantation de la couche magnétique 10 est propre à déterminer la direction de l’aimantation de la couche magnétique 10.
Selon l’exemple de la figure 2, l’unité de lecture 32 est une jonction tunnel magnétique.
Une jonction tunnel magnétique est un empilement d’une couche magnétique séparée d’une couche libre par une couche barrière. La couche libre est la couche pouvant se renverser sous l’effet du couple spin-orbite. La couche barrière est, par exemple, réalisée en MgO ou en AI2O3.
Dans certains cas, comme visible sur la figure 3, l’unité de lecture 32 est positionnée au-dessus de l’empilement 19.
Selon une variante, l’unité de lecture 32 est positionnée en-dessous de l’empilement 19.
D’autres modes de réalisation sont possibles pour l’unité de lecture 32. Notamment, l’unité de lecture 32 peut être un empilement de couches à magnétorésistance géante, une unité de lecture par effet Hall extraordinaire dans la couche magnétique 10, une unité de lecture par effet Hall planaire, ou une unité de lecture par magnétorésistance anisotrope.
Dans chacun des cas, l’unité de lecture 32 permet d’obtenir une information qui est codée dans les propriétés magnétiques de la couche magnétique 10.
Par exemple, lorsque le système spintronique 30 est une mémoire, l’information est codée dans la direction d’aimantation de la couche magnétique 10.
La mémoire fonctionne comme une mémoire dite Mémoire Magnétique à Couple Spin-Orbite, dans laquelle l’état d’aimantation dépend du signe de l’impulsion de courant envoyé dans le plan de l’empilement. Dans l’exemple décrit, l’état d’aimantation écrit dans la couche magnétique 10 dépend en outre de l’état de polarisation de la couche ferroélectrique 14, qui peut changer en signe et en amplitude le couple agissant sur l’aimantation.
Par exemple, si l’état d’aimantation est décrit par 0 ou 1 , ces valeurs correspondant à des aimantations opposées, il est possible de transiter de l’état 0 vers l’état 1 en appliquant un courant dans le plan positif, si la polarisation est positive. Il est également possible de transiter de 0 vers 1 en appliquant un courant dans le plan négatif, si la polarisation est négative. Cela permet par exemple d’utiliser des courants toujours positifs pour écrire l’information, en changeant l’état de polarisation ferroélectrique pour contrôler l’état d’aimantation mis en mémoire.
Il n’est pas forcément nécessaire d’appliquer constamment une tension entre les faces de la couche ferroélectrique 14, puisque la polarisation ferroélectrique peut être rémanente.
Dans d’autres modes de réalisation, l’information est codée dans les positions ou les configurations d’inhomogénéités magnétiques telles des parois de domaines magnétiques, de skyrmions ou d’ondes de spin se propageant dans la couche magnétique 10.
Dans un tel cas, modifier la polarisation ferroélectrique permet de modifier la propagation d’un des éléments précités (paroi / skyrmion / onde de spin). La modification peut être une modification de la vitesse (accélération ou ralentissement, voire un changement de signe ou un arrêt) ou de l’amplitude (amplification ou atténuation). Pour des parois, des skyrmions ou ondes de spin se déplaçant dans un circuit sous l’effet de couples spin-orbite, le contrôle de la polarisation en certains points du circuit permet de contrôler localement le couple spin-orbite, et donc le déplacement et le comportement des parois, des skyrmions ou ondes de spin. L’utilisation de la rémanence de la polarisation ferroélectrique peut permettre de reconfigurer de tels dispositifs.
Dans une telle application, le dispositif de contrôle 12 vient donc apporter un degré de liberté supplémentaire résultant en une amélioration de la fonction réalisée par le dispositif de contrôle 12.
Un tel apport est avantageux pour de multiples systèmes spintroniques 30, parmi lesquels une mémoire, un registre à décalage, une partie d’un dispositif logique ou neuromorphique, un oscillateur, un émetteur radiofréquence ou un récepteur radiofréquence.
Dans certains de ces modes de réalisation, le système spintronique 30 est un oscillateur spin-orbite à transfert de spin, le couple agissant sur l’aimantation permettant d’entraîner l’oscillation de l’aimantation à des fréquences de l’ordre du GHz, générant ainsi un signal micro-ondes pour la télécommunication sans fils.
Contrairement aux oscillateurs classiques, pour lesquels l’amplitude, la phase et la fréquence du signal ne dépendent que du courant appliqué, ici ils dépendent également de la polarisation ferroélectrique de l’élément ferroélectrique 14, qui peut ainsi être réglée de manière rémanente. Cela peut par exemple permettre de synchroniser des oscillateurs entre eux, pour des télécommunications ou des applications logique et/ou neuromorphiques.
Inversement, il est possible d’utiliser ce type de dispositif en récepteur, la réception d’un signal micro-onde entraînant l’oscillation de l’aimantation de la couche magnétique 10, générant ainsi une tension continue dans le plan de l’empilement. Dans ce cas, contrairement au cas des dispositifs mémoires, le dispositif de contrôle 12 n’applique pas de courant dans le plan de l’empilement, mais mesure seulement la tension continue créée dans le plan de l’empilement par la mise en oscillation de l’aimantation.
Pour améliorer les propriétés de tels systèmes spintroniques 30, d’autres modes de réalisation du dispositif de modification 12 sont envisageables.
Ainsi, à titre d’exemple, un autre dispositif de modification 12 est représenté sur la figure 4.
Le dispositif de modification 12 de la figure 4 présente les mêmes éléments que le dispositif de modification 12 de la figure 1. Aussi, les éléments communs ne sont pas répétés dans ce qui suit. Seules les différences sont présentées dans ce qui suit.
Dans le cas de la figure 4, le dispositif de modification 12 comporte, en outre, une couche intermédiaire 34 intercalée entre la couche magnétique 10 et la couche ferroélectrique 14.
La couche intermédiaire 34 peut être réalisée en de multiples matériaux.
Par exemple, la couche intermédiaire 34 est réalisée en un matériau spin-orbite et présente une épaisseur inférieure à 50 nm et avantageusement inférieure 10 nm
Un matériau spin-orbite est un matériau permettant de convertir un courant de charge en courant de spin.
Dans un tel cas, le matériau spin-orbite est avantageusement l’un des suivants : du beta-Tantale (beta-Ta), du BiSb, du Ta, du beta-Tungstène (beta-W), du W, du Pt et du Cu ou de l’Au dopés avec des éléments des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f du tableau de Mendeleïev comme du W, du Ta ou du Bi.
Selon un autre exemple la couche intermédiaire 34 peut comporter un matériau bidimensionnel, éventuellement dopé, seul ou en combinaison avec d’autres matériaux.
Le graphène, le BiSes, le BiS, le TiS, Le NiPSs, le WS2, le M0S2, le TiSe2, le VSe2, le MoSe2, le B2S3, le Sb2S, le LaCPS2, le LaOAsS2, le ScOBiS2, le FePSs, le GaOBiS2, I’AIOBIS2, le LaOSbS2, le BiOBiS2, le LaOBiSe2, le TiOBiS2, le CeOBiS2, le PrOBiS2, le NdOBiS2, le LaOBiS2, le CrGeT es, le CrSiT es ou le SrFBiSs sont des exemples de matériaux bidimensionnels.
En variante, la couche intermédiaire 34 peut comporter un semi-métal de Weyl seul ou en combinaison avec d’autres matériaux. Le TaAs, le TaP, le NbAs, le NbP, le NasBi, CdsAss, WTe2 et MoTe2 sont des exemples de semi-métaux de Weyl pouvant être utilisés dans la couche intermédiaire 34.
Selon un autre exemple, la couche intermédiaire 34 comporte un isolant topologique. Un isolant topologique est un matériau ayant une structure de bande de type isolant mais qui possède des états de surface métalliques.
Le Bi2Se3, le BiSexTe2.x(x étant compris entre 0 et 2), le BiSbTe, le SbTes et le HgTe sont des exemples d’isolant topologique pouvant être utilisés dans la couche intermédiaire 34.
En variante, la couche intermédiaire 34 peut comporter un dichalcogénure de métaux de transition.
De préférence, dans un tel cas, le matériau de la couche intermédiaire 34 est un matériau présentant une formule chimique s’écrivant ROCh2 dans laquelle l’élément R est choisi dans la liste constituée du La, du Ce, du Pr, du Nd, du Sr, du Sc, du Ga, du Al et du In et l’élément Ch est choisi dans la liste constituée du S, du Se et du Te.
De tels types de matériaux présentent un effet spin-orbite satisfaisant pour la couche intermédiaire 34.
En résumé, le matériau de la couche intermédiaire 34 est avantageusement un matériau spin-orbite et notamment un semi-métal de Weyl et/ou un isolant topologique et/ou un matériau bidimensionnel et/ou un dichalcogénure de métaux de transition et/ou un oxyde (par exemple LaAlOs) et/ou encore un métal tel que du platine ou du tungstène.
Le fonctionnement du dispositif de modification 12 selon la figure 4 est similaire au fonctionnement décrit pour le dispositif de modification 12 selon la figure 1 .
D’autres modes de réalisation encore sont possibles.
Par exemple, la couche ferroélectrique 14 est en contact avec une couche protectrice.
La couche protectrice permet de créer et/ou de protéger un gaz d’électrons se formant à la surface de la couche ferroélectrique 14.
La couche protectrice est une couche comprenant à au moins 80% en proportion atomique un élément métallique des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f de la classification périodique comme Al, Ta, Ru, Ir, Mo, Ti, Y, Au, ou une combinaison de ces éléments tel que AITa. Cette couche protectrice va s’oxyder partiellement ou totalement, créant des lacunes d’oxygène dans l’élément ferroélectrique 14 et générant ainsi un gaz bidimensionnel d’électrons à l’interface entre l’élément métallique, présentant une densité de porteurs supérieure à 1 O10 cm-2.
Dans un cas particulier, la couche protectrice est réalisée en Ru, en Al, en Ta, en Ti, en Mg ou en Y. Selon un autre mode de réalisation ou en complément, la couche magnétique 10 est nanostructurée.
Une telle nanostructuration peut notamment être réalisée par emploi d’une technique de lithographie. Cela permet d’obtenir par exemple un ensemble de nanoéléments présentant une ou des dimensions dans le plan de l’empilement inférieures à 100 nm. Une telle configuration est avantageuse pour le cas des mémoires ou des parties de dispositifs neuromorphiques.
Selon un autre exemple, cela permet de réaliser des nanopistes, notamment des pistes présentant une largeur inférieure à 200 nm, adaptées pour le cas de dispositifs basés sur l’utilisation de parois de domaine ou de skyrmions.
Dans certaines applications, en variante ou en complément, la couche ferroélectrique 14 est nanostructurée.
L’homme du métier comprendra bien que le dispositif de modification 12 peut comporter toute combinaison des modes de réalisation précités.
Dans chacun des cas, le dispositif de modification 12 permet de modifier au moins une propriété magnétique d’une couche magnétique (la direction d’aimantation ici) qui offre plus de degrés de liberté pour un système spintronique 30 qui comprendrait un tel dispositif de modification 12.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de modification (12) d’au moins la direction d’aimantation d’une couche magnétique (10), le dispositif de modification (12) comportant :
- une couche ferroélectrique (14) présentant une polarisation ferroélectrique, disposée sur ou sous la couche magnétique (10) de sorte à définir un empilement (19) comportant au moins la couche magnétique (10) et la couche ferroélectrique (14), un plan dans lequel les couches de l’empilement (19) s’étendent étant défini,
- un générateur (16) apte à injecter un courant électrique dans l’empilement (19) selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement (19), et
- une unité de modification (18) propre à modifier la polarisation ferroélectrique de la couche ferroélectrique (14), pour permettre avec le générateur (16) de modifier la direction d’aimantation de la couche magnétique (10).
2. Dispositif de modification selon la revendication 1 , dans lequel l’unité de modification (18) de la polarisation ferroélectrique est une source de tension.
3. Dispositif de modification selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la couche magnétique (10) est en contact avec la couche ferroélectrique (14).
4. Dispositif de modification selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel au moins une couche parmi la couche magnétique (10) et la couche ferroélectrique (14) est nanostructurée.
5. Dispositif de modification selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’empilement comporte une couche intermédiaire (34) intercalée entre la couche ferroélectrique (14) et la couche magnétique (10), la couche intermédiaire (34) comportant un matériau à effet Hall de spin, notamment un métal tel du platine ou du tungstène.
6. Dispositif de modification selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l’empilement comporte une couche intermédiaire (34) intercalée entre la couche ferroélectrique (14) et la couche magnétique (10), la couche intermédiaire (34) comportant un matériau choisi dans la liste suivante pris seul ou en combinaison :
- un semi-métal de Weyl,
- un matériau bidimensionnel, notamment du graphène, - un dichalcogénure de métaux de transition, et
- un isolant topologique.
7. Dispositif de modification selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la couche ferroélectrique (14) est en contact avec une couche protectrice.
8. Dispositif de modification selon la revendication 7, dans lequel la couche protectrice permet de protéger un gaz d’électrons bidimensionnel se formant à la surface de la couche ferroélectrique (14).
9. Dispositif de modification selon la revendication 7 ou 8, dans lequel la couche protectrice est obtenue par le dépôt à au moins 80% d’un élément métallique réducteur des colonnes 3d, 4d, 5d, 4f, 5f de la classification périodique ou une combinaison de ces éléments.
10. Système spintronique (30) comprenant :
- une couche magnétique (10),
- un dispositif de modification (12) d’au moins la direction d’aimantation de la couche magnétique (10), le dispositif de modification (12) étant selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, et
- une unité de lecture (32) de l’aimantation de la couche magnétique (10), l’unité de lecture (32) étant, par exemple, une jonction tunnel magnétique.
11. Système spintronique selon la revendication 10, dans lequel le système spintronique (30) est une mémoire.
12. Système spintronique selon la revendication 10, dans lequel le système spintronique (30) est un registre à décalage basé sur la propagation de parois de domaines magnétiques ou de skyrmions.
13. Système spintronique selon la revendication 10, dans lequel le système spintronique (30) est une partie d’un dispositif logique ou neuromorphique basé sur la propagation de parois de domaines magnétiques ou de skyrmions ou d’ondes de spin.
14. Système spintronique selon la revendication 10, dans lequel le système spintronique (30) est choisi parmi :
- un oscillateur, et 16
- un émetteur ou un récepteur radiofréquence.
15. Procédé de modification (12) d’au moins la direction d’aimantation d’une couche magnétique (10), le procédé comportant : - une étape de modification de l’aimantation de la couche magnétique (10) par modification de la polarisation ferroélectrique d’une couche ferroélectrique (14) disposée sur ou sous la couche magnétique (10) de sorte à définir un empilement comportant au moins la couche magnétique (10) et la couche ferroélectrique (14), un plan dans lequel les couches de l’empilement (19) s’étendent étant défini, et par injection d’un courant électrique dans l’empilement (19) selon une direction parallèle au plan des couches de l’empilement (19), la modification de la polarisation ferroélectrique étant avantageusement mise en œuvre par application d’une tension électrique sur la couche ferroélectrique (14).
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