FR3101156A1 - Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement - Google Patents
Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement Download PDFInfo
- Publication number
- FR3101156A1 FR3101156A1 FR1910317A FR1910317A FR3101156A1 FR 3101156 A1 FR3101156 A1 FR 3101156A1 FR 1910317 A FR1910317 A FR 1910317A FR 1910317 A FR1910317 A FR 1910317A FR 3101156 A1 FR3101156 A1 FR 3101156A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- magnetic
- layer
- coupling
- antiferromagnetic
- sample
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 459
- 238000013507 mapping Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 145
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 145
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 145
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 115
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims abstract description 109
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims abstract description 87
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 19
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 4
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 81
- 239000000463 material Substances 0.000 description 30
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 26
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 21
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 21
- 230000004044 response Effects 0.000 description 14
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 10
- 229910019041 PtMn Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000005374 Kerr effect Effects 0.000 description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 6
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 229910001030 Iron–nickel alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 238000002050 diffraction method Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 description 3
- 241000238366 Cephalopoda Species 0.000 description 2
- 101000619542 Homo sapiens E3 ubiquitin-protein ligase parkin Proteins 0.000 description 2
- -1 IrMn Inorganic materials 0.000 description 2
- 241000446313 Lamella Species 0.000 description 2
- 229910003289 NiMn Inorganic materials 0.000 description 2
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 230000005293 ferrimagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 102000045222 parkin Human genes 0.000 description 2
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002885 antiferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005292 diamagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002889 diamagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000002902 ferrimagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000007716 flux method Methods 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036541 health Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002907 paramagnetic material Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N50/00—Galvanomagnetic devices
- H10N50/10—Magnetoresistive devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/50—MFM [Magnetic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. MFM probes
- G01Q60/54—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
- G01R33/09—Magnetoresistive devices
- G01R33/098—Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/1215—Measuring magnetisation; Particular magnetometers therefor
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/16—Measuring susceptibility
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
- H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
- H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
- H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
- H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/12—Measuring magnetic properties of articles or specimens of solids or fluids
- G01R33/14—Measuring or plotting hysteresis curves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Radiology & Medical Imaging (AREA)
- Magnetic Heads (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
Abstract
TITRE : Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement Un aspect de l’invention concerne un empilement magnétorésistif (1) comprenant : Une couche de référence (2) comprenant : Une couche magnétique (21), Une couche antiferromagnétique (24) en couplage d’échange avec la couche magnétique (21), Une couche magnétique (22) sensiblement de même aimantation que la couche magnétique (21), Une couche espaceur (23) entre les couches magnétiques (21, 22) d’épaisseur permettant un couplage antiferromagnétique entre les couches magnétiques (21, 22) d’une première intensité de couplage, Une couche libre (3) de coercivité inférieure à 10 microTesla, la couche libre (3) comprenant : Une couche magnétique (32), Une couche antiferromagnétique (34) en couplage d’échange avec la couche magnétique (32), Une couche magnétique (31) sensiblement de même aimantation que la couche magnétique (32), Une couche espaceur (33) entre les couches magnétiques (31, 32) d’épaisseur permettant un couplage antiferromagnétique entre les couches magnétiques d’une deuxième intensité de couplage inférieure à la première intensité de couplage, Une troisième couche espaceur (4) séparant la couche de référence (2) et la couche libre (3). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2
Description
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
Le domaine technique de l’invention est celui des empilements magnétorésistifs.
La présente invention concerne un dispositif magnétorésistif présentant un empilement de couches magnétiques et non magnétiques permettant d’avoir une grande sensibilité indépendante de la taille du dispositif et de ne pas avoir de champ magnétique rayonné.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
Les capteurs magnétorésistifs font l’objet de nombreux développements et sont actuellement largement utilisés pour la détection de courant et de champ. Un capteur magnétorésistif voit sa résistance changer en fonction par exemple du champ magnétique auquel il est soumis.
Il en existe plusieurs types, parmi lesquels on trouve les magnétorésistance géantes (« GMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Giant Magnetoresistance »), les magnétorésistance tunnel (« TMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Tunnel Magnetoresistance ») et les magnétorésistance anisotropes (« AMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Anisotropic Magnetoresistance »). Les GMR et TMR fonctionnent par électronique de spin. La résistance de la GMR ou de la TMR est liée à la direction angulaire de l’aimantation d’une ou plusieurs de ses couches. Ainsi, lorsqu’un champ magnétique extérieur est appliqué à de tels capteurs, les GMR et les TMR voient la direction d’aimantation d’une ou de plusieurs de leurs couches changer, ce qui implique une augmentation ou une diminution de la résistance du capteur.
Une configuration courante de ce type de capteur est appelée la vanne de spin, dans laquelle une couche dite « de référence » a une aimantation fixée dont la direction d’aimantation détermine la direction de sensibilité du capteur et une couche dite « libre » est capable d’orienter son aimantation selon un champ extérieur. Un espaceur non-magnétique sépare la couche libre de la couche de référence.
Dans une vanne de spin, la résistance est liée à la direction angulaire de l’aimantation de sa couche libre par rapport à la direction d’aimantation de sa couche de référence. La couche de référence est rendue « dure » par une couche antiferromagnétique de la couche de référence. La « dureté » d’une couche magnétique se définit par rapport à la valeur du champ magnétique coercitif nécessaire au renversement de l’aimantation de la couche. Une couche magnétique sera donc réputée plus « dure » qu’une autre si son champ coercitif est plus fort. Ainsi, dans une vanne de spin, la couche de référence est une couche « dure » tandis que la couche libre est une couche « douce ».
Le champ coercitif d’un matériau ferromagnétique correspond à l’intensité de champ magnétique à appliquer au matériau ayant atteint son aimantation à saturation pour obtenir le renversement de son aimantation. Dans le cas des vannes de spin, la couche de référence présente un champ coercitif plus important que le champ coercitif de la couche libre afin que la direction d’aimantation de la couche de référence ne varie pas lorsque la direction d’aimantation de la couche libre est modifiée.
Un bon aperçu des évolutions récentes dans le domaine du nanomagnétisme et notamment des capteurs magnétorésistifs peut être trouvé dans « Nanomagnetism, Applications and perspectives » (C.Fermon and M. Van der Voorde, Wiley, 2017).
Afin d’avoir une réponse linéaire dans une vanne de spin, plusieurs améliorations ont été proposées, en particulier le couplage de la couche libre à une deuxième couche de référence, en utilisant un couplage Tantale (Ta) ou Ruthénium (Ru), même dans des empilements contenant une pluralité de couches de référence et de couches libres. Ces améliorations sont par exemple décrites dans les documents WO 2015/105830 A1, WO 2015/105836 A1 ou encore WO 2016/196157 A1.
Une majorité des empilements faisant l’objet de ces travaux comprennent une couche libre faite de CoFe/NiFe pour les GMR et de CoFeB/NiFe pour les TMR. L’inconvénient de cette approche est d’avoir un moment magnétique de la couche libre assez important. Par conséquent, la sensibilité du dispositif dépend de la taille de l’empilement, c’est-à-dire que la sensibilité décroît quand une dimension latérale du dispositif est réduite à cause du champ dipolaire interne. Un autre inconvénient de cette approche est d’avoir un champ rayonné par le capteur, ce qui peut induire un couplage à d’autres dispositifs capteurs ou à d’autres objets et donc agir sur les résultats de dispositif capteurs voisins et/ou impliquer un bruit dans la propre détection du capteur.
Il existe donc un besoin d’avoir un empilement magnétorésistif sensible aux champs magnétiques extérieurs ne créant pas de champ magnétique rayonné et ayant une sensibilité indépendante de sa taille.
L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en permettant d’avoir un empilement magnétorésistif n’étant pas source de champ rayonné tout en ayant une sensibilité qui ne décroît pas avec sa taille et sensible aux champs magnétiques extérieurs.
Un aspect de l’invention concerne un empilement magnétorésistif comprenant au moins :
- Une couche de référence comprenant au moins :
- Une première couche magnétique,
- Une première couche antiferromagnétique en couplage d’échange avec la première couche magnétique,
- Une deuxième couche magnétique sensiblement de même aimantation que la première couche magnétique,
- Une première couche non-magnétique espaceur entre la première couche magnétique et la deuxième couche magnétique d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la première couche magnétique et la deuxième couche magnétique, ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une première intensité de couplage,
- Une couche libre ayant une coercivité inférieure à 10 microTesla, la couche libre comprenant au moins :
- Une troisième couche magnétique,
- Une deuxième couche antiferromagnétique en couplage d’échange avec la troisième couche magnétique,
- Une quatrième couche magnétique sensiblement de même aimantation que la troisième couche magnétique,
- Une deuxième couche non-magnétique espaceur entre la troisième couche magnétique et la quatrième couche magnétique d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la troisième couche magnétique et la quatrième couche magnétique, ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une deuxième intensité de couplage inférieure à la première intensité de couplage,
- Une troisième couche non magnétique espaceur séparant la couche de référence et la couche libre.
L’invention utilise deux couches de type antiferromagnétique synthétique (« SAF » selon la dénomination anglo-saxonne pour « Synthetic Antiferromagnet ») comme couche de référence et comme couche libre, ce qui permet d’améliorer l’indépendance de la sensibilité de l’empilement à la taille de l’empilement, les champs dipolaires de chacune des couches de référence et libre étant considérablement réduits dans les SAFs.
Bien qu’ayant deux couches de type antiferromagnétique synthétique, l’empilement selon l’invention a tout de même une couche libre, car l’une des deux couches synthétiques antiferromagnétiques a une intensité de couplage antiferromagnétique entre ses couches magnétiques plus faible que l’intensité de couplage antiferromagnétique entre les couches magnétiques de l’autre couche, afin que la couche libre ait une sensibilité aux champs magnétiques extérieurs et que l’autre couche, la couche de référence, fixe la direction de sensibilité de l’empilement.
En outre, le moment magnétique total de la couche de référence est nul et le moment magnétique total de la couche libre est nul, ce qui permet de ne pas avoir de champ rayonné, ni par la couche de référence, ni par la couche libre. Par « aucun champ rayonné » on entend que l’empilement rayonne un champ maximal de 1mT à 100nm de distance de l’empilement. L’empilement magnétorésistif selon l’invention a donc un moment magnétique total nul et aucun champ rayonné selon la définition donnée précédemment. Le moment magnétique total de la couche de référence est nul car les deux couches magnétiques qu’elle comprend sont compensées en intensité d’aimantation, c’est-à-dire que les deux couches magnétiques ont sensiblement la même intensité d’aimantation, et sont en couplage RKKY antiferromagnétique, c’est-à-dire que leur aimantation respective est antiparallèle, permettant d’avoir une aimantation nulle de la couche de référence. Le couplage RKKY (« Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida ») est une interaction entre les moments magnétiques de deux couches magnétiques séparées par une couche non-magnétique. Ce couplage RKKY antiferromagnétique est assuré par la présence d’une couche non-magnétique espaceur entre les deux couches magnétiques couplées. En modifiant l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur, le couplage RKKY entre les deux couches magnétiques oscille et passe de ferromagnétique à antiferromagnétique. Ce phénomène est décrit par le document : Parkin et al, Phys. Rev. Lett. Vol 67 p 3598, 1991.
De la même manière, la couche libre a un moment magnétique total nul car les deux couches magnétiques qu’elle comprend sont compensées en intensité d’aimantation, et sont en couplage RKKY antiferromagnétique, c’est-à-dire que leur aimantation respective est antiparallèle, permettant d’avoir une aimantation nulle de la couche libre.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, l’empilement magnétorésistif selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- l’empilement magnétorésistif est une magnétorésistance géante,
- la troisième couche non magnétique espaceur est une barrière tunnel et en ce que l’empilement magnétorésistif est une magnétorésistance tunnel.
Un autre aspect de l’invention concerne un capteur magnétorésistif comprenant au moins un empilement magnétorésistif selon l’invention.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le capteur magnétorésistif selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le capteur magnétorésistif comprend un support de forme tétraédrique, en ce qu’il comprend quatre empilements magnétorésistifs selon l’invention et en ce que les quatre empilements magnétorésistifs sont disposés chacun sur une face différente du support de forme tétraédrique,
- le capteur magnétorésistif comprend un bras de levier flexible, ledit bras de levier comprenant en son extrémité le support tétraédrique comprenant lesdits quatre empilements magnétorésistifs,
Un autre aspect de l’invention concerne un système de cartographie magnétique d’au moins un échantillon magnétique comprenant au moins capteur magnétorésistif selon l’invention pour détecter les champs de fuite émis par l’échantillon magnétique, un système de balayage et une première source de courant configurée pour créer un premier champ magnétique appliqué à l’échantillon magnétique.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le système de cartographie magnétique selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le premier champ magnétique créé par la première source de courant est un champ magnétique statique, en ce que le système de cartographie magnétique comprend une deuxième source de courant configurée pour créer un champ magnétique dynamique appliqué à l’échantillon magnétique,
- le champ magnétique dynamique est créé à une première fréquence, le capteur magnétorésistif est alimenté à une deuxième fréquence,
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif comprend :
- un premier signal continu émis par l’échantillon soumis au champ magnétique statique et
- un deuxième signal alternatif émis par l’échantillon soumis au champ magnétique dynamique,
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif est démodulé à la deuxième fréquence pour retrouver le premier signal continu émis par l’échantillon soumis au champ magnétique statique et
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif est démodulé à la fréquence correspondant à la soustraction de la première fréquence à la deuxième fréquence pour retrouver le deuxième signal alternatif émis par l’échantillon soumis au champ magnétique dynamique.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
- La Figure 1 montre une représentation schématique d’un empilement magnétique selon l’invention.
- La figure 2 montre une courbe représentant le couplage RKKY de deux couches Co90Fe10 séparées par une couche espaceur en ruthénium en fonction de l’épaisseur de la couche espaceur.
- La Figure 3a montre une représentation schématique d’un empilement magnétique de type GMR selon un mode de réalisation de l’invention.
- La Figure 3b montre une représentation schématique de la réponse d’un empilement magnétique de type GMR selon un mode de réalisation de l’invention en fonction du champ magnétique extérieur appliqué.
- La Figure 4 montre une représentation schématique d’un empilement magnétique de type TMR selon un mode de réalisation de l’invention.
- La figure 5 montre un exemple de cycle d’hystérésis magnétique 50 correspondant à l’aimantation induite par l’application d’un champ magnétique dans un matériau magnétique.
- La figure 6 montre un système de cartographie 61 selon l’invention.
- La figure 7 montre deux configurations possibles de capteur magnétique 611 scannant la surface des échantillons.
- La figure 8a montre une représentation schématique de différentes distances échantillon-capteur et du signal détecté
- La figure 8b montre une représentation schématique de différentes taille de capteur et du signal détecté
- La figure 9 montre le schéma électrique de la mesure de champ de fuite de l’échantillon soumis à un champ magnétique par le capteur du système de cartographie magnétique selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.
Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
L’empilement magnétique 1 selon l’invention comprend une couche de référence 2, une couche libre 3 et une couche non-magnétique espaceur 4.
Couche de référence 2
La couche de référence 2 est une couche de type antiferromagnétique synthétique (« SAF ») comprenant une couche antiferromagnétique 24 AF, deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML, et une couche non-magnétique espaceur 23 SP.
Aimantation sensiblement égale des deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML
Selon l’invention, les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML sont choisies pour avoir sensiblement la même aimantation, quelle que soit la température de fonctionnement de l’empilement 1. On entend par « sensiblement » la même aimantation, une différence d’aimantation d’une couche magnétique des deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML par rapport à l’autre couche magnétique des deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML de plus ou moins 10%, préférentiellement 5%. Ainsi, l’aimantation des deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML est « sensiblement la même » si la deuxième couche magnétique 22 ML a une aimantation de plus ou moins 10%, préférentiellement 5%, de l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML.
Couplage
antiferromagnétique
entre
les deux
couche
s
magnétique
s
21 ML
et 22 ML
En outre, les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML sont couplées antiferromagnétiquement par un couplage RKKY (« Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida ») antiferromagnétique. Le couplage RKKY est une interaction entre les moments magnétiques de deux couches magnétiques séparées par une couche non-magnétique. Ce couplage RKKY antiferromagnétique est permis par la présence d’une couche non-magnétique espaceur 23 SP entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML. En modifiant l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur 23 SP, le couplage RKKY entre les couches magnétiques 21 ML et 22 ML oscille et passe de ferromagnétique à antiferromagnétique. Ce phénomène est décrit par le document : Parkin et al, Phys. Rev. Lett. Vol 67 p 3598, 1991 et est représenté à la figure 2. La couche non-magnétique espaceur 23 SP peut être composée de Ru, Ir, Rh, Cu, ou de tout autre matériau non-magnétique permettant, à une ou plusieurs épaisseurs déterminées, d’avoir un couplage RKKY antiferromagnétique entre deux couches magnétiques adjacentes.
Cette courbe est obtenue en déterminant l’intensité de couplage des deux couches magnétiques pour chaque épaisseur de l’espaceur. Il est donc nécessaire de déposer plusieurs empilements avec différentes épaisseur de l’espaceur. Sur chaque empilement, l’intensité de couplage RKKY est obtenue en appliquant un champ suffisamment fort à l’empilement. Le champ correspondant au moment où l’aimantation passe d’une aimantation nulle à une aimantation de deux fois l’aimantation est alors le champ correspondant à l’intensité de couplage RKKY. Ce champ peut être mesuré en utilisant par exemple un appareil de mesure dit VSM (selon la dénomination anglo-saxonne « Vibrating Sample Magnetometer » pour « Magnétomètre à échantillon vibrant » en français). Le VSM est capable de mesurer les propriétés magnétiques d’un échantillon. Son principe repose sur une méthode de flux qui consiste à mesurer le flux induit F dans un bobinage par déplacement périodique de l'échantillon. Plus précisément, on fait vibrer verticalement, c’est-à-dire selon l’axe z perpendiculaire au plan des couches de l’échantillon, un échantillon placé au centre d'un bobinage de mesure avec une amplitude constante. La tension induite dans les bobines de détection par un échantillon de moment magnétique µ est obtenue à partir du théorème de réciprocité :
La tension induite e est donnée par la relation :
La tension induite e est proportionnelle au moment magnétique de l’échantillon mais ne dépend pas de l’intensité du champ magnétique appliqué. L'un des intérêts de cette méthode de mesure est sa rapidité car les dérives parasites gênantes sont des signaux pseudo-continus facilement éliminés par la détection synchrone du VSM.
Il est aussi possible de déterminer l’intensité de couplage en utilisant un autre appareil de mesure dit magnétomètre MOKE (selon la dénomination anglo-saxonne « Magneto-Optical Kerr Effect »). Ce magnétomètre permet de mesurer des courbes d’hystérésis en fonction de la température et du champ magnétique appliqué. Le magnétomètre MOKE utilise pour cela l’effet Kerr magnéto-optique qui décrit les changements de polarisation et d’intensité de lumière reflétée sur une surface magnétique. Grâce au magnétomètre MOKE, il est possible de caractériser l’aimantation et notamment la direction d’aimantation de la ou des couches étudiées. Tout autre magnétomètre peut aussi être utilisé (par exemple un magnétomètre à SQUID).
On remarque à la figure 2 que la courbe 40 de couplage entre deux couches magnétiques de Co90Fe10 séparées par une couche non-magnétique espaceur de Ru en fonction de l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur de Ru varie à la manière d’une sinusoïde amortie. Aux extrema de la courbe 40, le couplage RKKY entre les deux couches magnétiques est soit ferromagnétique si l’extremum est un maximum, soit antiferromagnétique si l’extremum est un minimum. Lorsque l’intensité de couplage est nulle, c’est-à-dire aux épaisseurs de couche non-magnétique espaceur où la courbe sinusoïdale amortie croise zéro, l’angle entre les directions d’aimantation des deux couches magnétiques est de 90°.
Dans un empilement de couches de type SAF, le couplage entre les deux couches magnétiques séparées par une couche non-magnétique espaceur est choisi pour être antiferromagnétique. Ainsi, il est nécessaire de choisir une épaisseur de couche non magnétique espaceur correspondant à l’un des minima 41 à 44 de la courbe de couplage 40.
Plus l’intensité de couplage est élevée, plus le couplage sera fort, il sera alors plus difficile de changer la direction d’aimantation de ces couches, un champ magnétique extérieur plus important devant alors être appliqué.
Par exemple, le point 41 de la courbe 40 est un minimum, le couplage entre les deux couches magnétiques de Co90Fe10 séparées par une couche non-magnétique espaceur de Ru d’épaisseur 0.85nm est alors antiferromagnétique d’intensité maximale pour un tel couplage antiferromagnétique de 145 mT (pour « milliTesla »). Un couplage d’intensité négative sur la courbe 40 est un couplage antiferromagnétique ayant une intensité égale à la norme de l’intensité négative du couplage. Par exemple, au point 41, on lit une intensité de couplage d’environ -145 mT. La valeur d’intensité du couplage antiferromagnétique au point 41 est alors d’environ 145 mT.
Le point 42 de la courbe 40 est le second minimum de la courbe 40. Il correspond à un couplage antiferromagnétique d’intensité plus faible, c’est-à-dire d’intensité de 40 mT, pour une épaisseur de 1.9 nm de couche non-magnétique espaceur de Ru.
Le point 43 de la courbe 40 est le troisième minimum de la courbe 40. Il correspond à un couplage antiferromagnétique d’intensité plus faible que le premier minimum 41 et que le deuxième minimum 42 (intensité au point 43 de 20 mT, pour une épaisseur de 2.9 nm de couche non-magnétique espaceur de Ru).
Le point 44 de la courbe 40 est le quatrième minimum de la courbe 40. Il correspond à un couplage antiferromagnétique d’intensité plus faible que le premier minimum 41, que le deuxième minimum 42 et que le troisième minimum 43 (intensité au point 44 de 10mT, pour une épaisseur de 4 nm de couche non-magnétique espaceur de Ru).
Couplage d’échange entre la couche antiferromagnétique 24 AF et la couche magnétique 21 ML
La couche de référence 2 de l’empilement magnétorésistif selon l’invention comprend une couche de piégeage antiferromagnétique 24 AF. La couche antiferromagnétique 24 AF et la première couche magnétique 21 ML sont couplées par un couplage d'échange. Ce couplage d’échange crée des phénomènes d'interfaces qui influencent fortement l'aimantation de la première couche magnétique 21 ML. Ce couplage induit plusieurs effets sur le cycle d'hystérésis de la première couche magnétique 21 ML, notamment une augmentation de la coercivité et un décalage du cycle d’hystérésis par rapport au champ nul. Dans la couche de référence, la couche de piégeage antiferromagnétique 24 AF permet de piéger la couche magnétique 21 ML dans une direction d’aimantation donnée. La couche magnétique 21 ML est dans un couplage RKKY antiferromagnétique fort avec la couche magnétique 22 ML, réalisant ainsi une couche de référence 2 dure. La couche de piégeage antiferromagnétique 24 AF est une couche de PtMn, d’IrMn, de NiMn, de toute autre composition de ces métaux, ou de toute autre combinaison de métaux ou d’oxydes présentant des propriétés antiferromagnétiques et permettant un couplage d’échange.
Le couplage d’échange entre la couche antiferromagnétique 24 AF et la première couche magnétique 21 ML induit un changement dans l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML. Cette modification de l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML peut être due par exemple à un intermixage à l’interface de la couche antiferromagnétique 24 AF qui réduit légèrement le moment magnétique de la couche magnétique 21 ML, à des effets de rugosité etc. Ainsi, contrairement à ce qui peut être proposé par l’état de l’art, les épaisseurs et matériaux de la première couche magnétique 21 ML et de la deuxième couche magnétique 22 ML ne sont pas forcément prises identiques. En effet, l’invention cherchant à résoudre notamment le problème de n’avoir aucun champ rayonné dans un empilement magnétorésistif, il est nécessaire que l’ensemble de la couche de référence 2 ait une aimantation totale nulle. La deuxième couche magnétique 22 ML doit donc avoir une épaisseur et un matériau tels que l’aimantation de la deuxième couche magnétique 22 ML est sensiblement la même, quelle que soit la température de fonctionnement de l’empilement 1, que l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML modifiée par la présence de la couche antiferromagnétique 24 AF. Préférentiellement, on utilisera le même matériau pour les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML et on adaptera donc les épaisseurs des couches magnétiques 21 ML et 22 ML de manière à avoir une aimantation totale de la couche de référence 2 nulle. Les couches magnétiques 21 ML et 22 ML peuvent être faites d’au moins un matériau parmi du Cobalt Co, du Fer Fe, du Nickel Ni, du Zirconium Zr, du Bore B, ou tout autre matériau connu de l’homme du métier permettant d’avoir des couches magnétiques à forte polarisation en spin. Les modes de réalisation présentés plus loin dans la description utiliseront par exemple des couches magnétiques de CoFe10 pour les GMR et de CoFe10 et CoFeB pour les TMR.
Couche libre 3
La couche libre 3 est une couche de type antiferromagnétique synthétique (« SAF ») comprenant une couche antiferromagnétique 34 AF, deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML, et une couche non-magnétique espaceur 33 SP.
Aimantation sensiblement égale des deux couches magnétiques
3
1 ML et
3
2 ML
De la même manière que pour la couche de référence 2, les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML de la couche libre 3 sont choisies pour avoir sensiblement la même aimantation, quelle que soit la température de fonctionnement de l’empilement 1. On entend par « sensiblement » la même aimantation, une différence d’aimantation d’une couche magnétique des deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML par rapport à l’autre couche magnétique des deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML de plus ou moins 10%, préférentiellement 5%. Ainsi, l’aimantation des deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML est « sensiblement la même » si la troisième couche magnétique 31 ML a une aimantation de plus ou moins 10%, préférentiellement 5%, de l’aimantation de la quatrième couche magnétique 32 ML.
Couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML
En outre, comme pour les couches magnétiques 21 ML et 22 ML de la couche de référence 2, les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML sont couplées antiferromagnétiquement par un couplage RKKY (« Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida ») antiferromagnétique. Ce couplage RKKY antiferromagnétique est assuré par la présence de la couche non-magnétique espaceur 33 SP entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML. En modifiant l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur 33 SP, le couplage RKKY entre les couches magnétiques 31 ML et 32 ML oscille et passe de ferromagnétique à antiferromagnétique. Ce phénomène est représenté à la figure 2. La couche non-magnétique espaceur 33 SP peut être composée de Ru, Ir, Rh, Cu, ou de tout autre matériau non-magnétique permettant, à une ou plusieurs certaines épaisseurs, un couplage RKKY antiferromagnétique entre deux couches magnétiques adjacentes.
Couplage d’échange entre la couche antiferromagnétique 34 AF et la couche magnétique 32 ML
De la même manière que dans la couche de référence 2, dans la couche libre 3, une couche de piégeage antiferromagnétique 34 AF est présente et est une couche de PtMn, d’IrMn, de NiMn, de toute autre composition de ces métaux, ou de toute autre combinaison de métaux présentant des propriétés antiferromagnétiques et permettant un couplage d’échange.
Dans la couche libre 3, un couplage d’échange entre la couche antiferromagnétique 34 AF et la quatrième couche magnétique 32 ML de l’empilement 1 selon l’invention induit un changement dans l’aimantation de la troisième couche magnétique 31 ML. La troisième couche magnétique 31 ML doit donc avoir une épaisseur et un matériau tels que l’aimantation de la troisième couche magnétique 31 ML est sensiblement la même, quelle que soit la température de fonctionnement de l’empilement 1, que l’aimantation de la quatrième couche magnétique 32 ML modifiée par la présence de la couche antiferromagnétique 34 AF. Préférentiellement, on utilisera le même matériau pour les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML et on adaptera donc les épaisseurs des couches magnétiques 31 ML et 32 ML de manière à avoir une aimantation totale de la couche libre 3 nulle. Les couches magnétiques 31 ML et 32 ML peuvent être faites d’au moins un matériau parmi du Cobalt Co, du Fer Fe, du Nickel Ni, du Zirconium Zr, du Bore B, ou tout autre matériau connu de l’homme du métier permettant d’avoir des couches magnétiques à forte polarisation en spin. Comme indiqué précédemment, les modes de réalisation présentés plus loin dans la description utiliseront par exemple des couches magnétiques de CoFe10 pour les GMR et de CoFe10 et CoFeB pour les TMR.
Différence d
’intensité de couplage RKKY entre les couches magnétiques de la
couche de référence 2 et
les couches magnétiques de
la couche libre 3
L’empilement magnétorésistif 1 selon l’invention représenté à la figure 1 comprend une couche de référence 2 et une couche libre 3. Chacune de ces deux couches respectivement de référence 2 et libre 3 comprend deux couches magnétiques couplées antiferromagnétiquement, respectivement 21 ML - 22 ML et 31 ML - 32 ML, ce couplage RKKY antiferromagnétique étant permis par la présence d’une couche non-magnétique espaceur, respectivement 23 SP et 33 SP. La couche de référence 2, comprenant les couches magnétiques 21 ML et 22 ML séparées par la couche non-magnétique espaceur 23 SP, a une intensité de couplage entre ses couches magnétiques 21 ML et 22 ML plus forte que la couche libre 3 comprenant les couches magnétiques 31 ML et 32 ML séparées par la couche non-magnétique espaceur 33 SP, afin que, en présence d’un champ magnétique extérieur, seule la couche libre 3 soit sensible à ce champ magnétique extérieur, et que la couche de référence 2 ne voit pas sa direction d’aimantation modifiée.
Selon l’invention, l’épaisseur de chacun des espaceurs 23 SP et 33 SP est choisie pour avoir un couplage antiferromagnétique dans chacune des couches de référence 2 et libre 3, et pour que le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques de la couche de référence 2 ait une intensité de couplage plus importante que le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques de la couche libre 3. Cela permet d’avoir une couche plus libre que l’autre tout en ayant deux couches de type SAF afin de n’avoir aucun champ magnétique rayonné.
L’épaisseur de la première couche non-magnétique espaceur 23 SP est choisie pour permettre une intensité de couplage RKKY antiferromagnétique forte entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML. Pour cela, la courbe représentant le couplage RKKY entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML en fonction de l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur 23 SP est déterminée en caractérisant les propriétés magnétiques des deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML en utilisant un VSM ou un magnétomètre MOKE ou tout autre magnétomètre. Pour permettre une intensité de couplage forte entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML, une épaisseur de couche non-magnétique espaceur 23 SP correspondant à l’intensité la plus élevée possible peut être choisie. Par exemple, dans le cas où la couche non-magnétique espaceur 23 SP est faite de Ru, et où les couches magnétiques 21 ML et 22 ML sont faites de Co90Fe10, l’épaisseur correspondant au premier point de la courbe 40 de la figure 2 peut être choisie.
Ainsi, la première intensité de couplage des couches magnétiques 21 ML et 22 ML de la couche de référence 2 est déterminée pour être forte, c’est-à-dire pour qu’il soit possible de trouver au moins une intensité de couplage plus faible pour la couche libre 3. Afin de s’assurer que ce critère sera rempli, il est possible de prendre l’épaisseur correspondant à l’intensité de couplage la plus élevée possible pour la première couche non-magnétique espaceur 23 SP.
Selon l’invention, l’épaisseur de la deuxième couche non-magnétique espaceur 33 SP est choisie pour permettre une intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre la troisième couche magnétique 31 ML et la quatrième couche magnétique 32 ML inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre la première couche magnétique 21 ML et la deuxième couche magnétique 22 ML. Pour cela, la courbe représentant le couplage RKKY entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML en fonction de l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur 33 SP est déterminée en caractérisant les propriétés magnétiques des deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML en utilisant un VSM, un magnétomètre MOKE ou un SQUID. Pour permettre une intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML, une épaisseur de couche non-magnétique espaceur 33 SP peut être choisie en déterminant sur la courbe représentant le couplage RKKY entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML en fonction de l’épaisseur de la couche non-magnétique espaceur 33 SP l’ensemble des minima de la courbe ayant une forme de sinusoïde amortie et en choisissant un des minima de la courbe correspondant à une intensité dont la valeur en norme est inférieure à la valeur en norme de l’intensité de couplage choisie pour la couche de référence 2. Par exemple, dans le cas où la couche non-magnétique espaceur 33 SP est faite de Ru, où les couches magnétiques 31 ML et 32 ML sont faites de Co90Fe10, et où l’épaisseur correspondant au premier point de la courbe 40 de la figure 2 a été choisie pour l’espaceur 23 SP, le second minimum 42, le troisième minimum 43 ou le quatrième minimum 44 de la courbe 40 peut être choisi.
Dans le mode de réalisation représenté par la courbe 40 à la figure 2, c’est-à-dire dans le cas d’espaceurs 23 SP et 33 SP de Ru et de couches magnétiques 21 ML, 22 ML, 31 ML et 32 ML de Co90Fe10, et lorsque le premier minimum 41 est choisi pour le couplage de la couche de référence 2 et que le deuxième minimum 42 est choisi pour le couplage de la couche libre 3, le couplage de la couche libre 3 est d’environ 40mT, ce qui donne à la couche libre 3 de l’empilement 1 selon l’invention une plage de mesure large lorsque l’empilement 1 est compris dans un capteur de champ magnétique. Une autre épaisseur de la couche espaceur 33 SP de 2.9nm ou de 4nm, respectivement correspondant aux minima 43 ou 44, respectivement correspondant à des intensités de couplage de 20mT ou 10mT, peut être choisie. Plus le couplage entre les couches magnétiques 31 ML et 32 ML de la couche libre 3 sera d’intensité faible, plus la sensibilité de la couche libre 3 de l’empilement 1 compris dans un capteur sera accrue et plus la plage de mesure sera réduite.
Ainsi, la deuxième intensité de couplage, c’est-à-dire l’intensité de couplage des couches magnétiques 31 ML et 32 ML de la couche libre 3, est déterminée pour être inférieure à la première intensité de couplage, c’est-à-dire l’intensité de couplage des couches magnétiques 21 ML et 22 ML de la couche de référence 2, ce afin que la couche libre 3 soit sensible aux champs magnétiques extérieurs selon une direction de sensibilité fixée par la couche de référence 2, la couche de référence 2 n’étant alors pas ou peu ensible aux champs magnétiques extérieurs que l’on souhaite mesurer.
L’empilement 1 selon l’invention comprend ainsi une couche de référence 2, de coercivité forte, une couche libre 3 de coercivité inférieure à la coercivité de la couche de référence 2, et un espaceur 4. Cette différence d’intensité de couplage RKKY entre les couches magnétiques des couches libre 3 et de référence 2 permet d’avoir un empilement dont une couche définit la direction de sensibilité de l’empilement aux champs magnétiques extérieurs et dont une autre couche est sensible aux champs magnétiques extérieurs dans la direction définie par la première couche. En outre, les couches de référence 2 et libre 3 sont de type SAF, ce qui permet d’avoir un empilement dont la sensibilité est indépendante de sa taille. Enfin, chacune des couches de référence 2 et libre 3 a une aimantation totale nulle, du fait de la compensation en aimantation de ses couches magnétiques 21 ML et 22 ML et 31 ML et 32 ML, permettant de n’avoir aucun champ rayonné, ou un champ rayonné très faible (maximum 1mT à 100nm de distance).
La coercivité de la couche libre 3 doit être suffisamment faible pour que l’empilement 1 puisse être utilisé dans un capteur. Aussi, la couche libre 3 doit avoir une coercivité nulle ou très faible, c’est-à-dire un champ magnétique coercitif inférieur à 10 µT. Pour cela, il faut utiliser pour 31ML et 32ML des matériaux magnétiques présentant une coercivité intrinsèque faible tels que le NiFe, le CoFeB ou un alliage d’Heussler par exemple, et avoir un couplage assez antiferromagnétique. Il est possible de s’assurer que la valeur de la coercivité de la couche libre 3 est bien inférieure au seuil de 10 µT en réalisant une mesure du cycle d’hystérésis de la couche libre 3 en utilisant un magnétomètre, par exemple un VSM. Le champ coercitif est alors déterminé au point où la courbe traverse l’axe des champs.
Afin d’obtenir une plage de réponse linéaire, il est nécessaire que la direction d’aimantation des deux couches de référence 2 et libre 3 soient orientées à 90 degrés l’une par rapport à l’autre en l’absence de champ magnétique extérieur. Cela est réalisable en choisissant le matériau et l’épaisseur de chacune des couches antiferromagnétiques 24 AF et 34 AF par rapport à l’autre.
La couche espaceur 4 est une couche permettant d’obtenir les effets de magnétorésistance géante ou de magnétorésistance à effet tunnel dans l’empilement 1 selon l’invention, pour une application de l’empilement 1 à des capteurs de champ magnétique. Cette couche espaceur 4 est une couche métallique pour obtenir un effet GMR, par exemple de Cu ou Cr. Cette couche espaceur 4 est une barrière tunnel pour obtenir un effet TMR, par exemple en MgO ou Al2O3.
La Figure 3 représente un exemple d’empilement selon l’invention pouvant être compris dans un capteur GMR, sans que cet exemple ne soit limitatif.
L’empilement 1 selon l’invention comprend la couche de référence 2, la couche libre 3 et la couche espaceur 4.
Le couche espaceur 4 est en Cu 2,3nm pour avoir un effet de magnétorésistance géante dans l’empilement 1.
La couche de référence 2 comprend un empilement de type SAF comprenant deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML séparées par un espaceur 23 SP. La couche de référence 2 comprend en outre une couche de piégeage 24 AF de PtMn. L’épaisseur de la couche de PtMn doit être supérieure à 10nm afin de garantir un blocage suffisant. Des épaisseurs jusqu’à 25nm sont couramment utilisées. Les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML sont en CoFe10. La première couche magnétique 21 ML, en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique 24 AF, a une épaisseur de 2,5nm. La deuxième couche magnétique 22 ML a une épaisseur choisie pour compenser l’aimantation de la première couche magnétique, c’est-à-dire pour que l’aimantation de la deuxième couche magnétique 22 ML soit sensiblement la même que l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML. Comme indiqué précédemment, et contrairement à ce qui est réalisé couramment dans l’art antérieur, l’épaisseur de la deuxième couche magnétique 22 ML n’est pas identique à l’épaisseur de la première couche magnétique 21 ML, car la première couche magnétique est en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique AF 24, ce qui implique une modification de l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML. Ainsi, la première couche magnétique 21 ML en CoFe10 a une épaisseur de 2,5nm et la deuxième couche magnétique 22 ML en CoFe10 a une épaisseur de 2,1 nm. Cela permet d’avoir une aimantation totale de la couche de référence 2 nulle. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 22 ML par rapport à la couche magnétique 21 ML est déterminée, par exemple en utilisant un VSM, en mesurant l’aimantation totale de la couche de référence 2. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 22 ML peut en outre dépendre des conditions de dépôt de la couche, des températures de recuit et de la composition exacte de la couche antiferromagnétique 24 AF de PtMn. C’est pourquoi l’épaisseur de la couche magnétique 22 ML doit être déterminée expérimentalement par exemple en utilisant un VSM.
La couche non-magnétique espaceur 23 SP est en Ru, d’une épaisseur de 0,85nm, permettant un couplage RKKY antiferromagnétique fort entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML. En effet, l’épaisseur de la couche espaceur 23 SP a été choisie pour permettre le plus fort couplage RKKY antiferromagnétique possible, c’est-à-dire que l’épaisseur correspondant au premier minimum sur la courbe représentant l’intensité de couplage entre deux couches magnétiques de CoFe10 séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur a été choisie. Ainsi, après avoir tracé cette courbe, en déterminant les minima de cette courbe, on obtient un premier minimum correspondant à une épaisseur de 0,85nm. A cette épaisseur, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML vaut environ 140mT. La couche de référence 2 est donc une couche dure, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML étant fort, la coercivité de la couche de référence 2 étant donc forte.
La couche libre 3 comprend un empilement de type SAF comprenant deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML séparées par un espaceur 33 SP. La couche libre 3 comprend en outre une couche de piégeage 34 AF d’IrMn afin de garantir une orientation à 90 degrés de la direction d’aimantation de la couche libre 3 par rapport à la direction d’aimantation de la couche de référence 2 en l’absence de champ magnétique extérieur pour avoir une plage de réponse linéaire du capteur GMR. La couche de piégeage 34 AF d’IrMn a une épaisseur qui doit être supérieure à 5nm pour assurer un piégeage correct. Une épaisseur de 7nm est couramment utilisée. Les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML sont en CoFe10. La première couche magnétique 32 ML, en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique 34 AF, a une épaisseur de 3,4nm. La deuxième couche magnétique 31 ML a une épaisseur choisie pour compenser l’aimantation de la première couche magnétique 32 ML, c’est-à-dire pour que l’aimantation de la deuxième couche magnétique 31 ML soit sensiblement la même que l’aimantation de la première couche magnétique 32 ML. Comme indiqué précédemment, et contrairement à ce qui est réalisé couramment dans l’art antérieur, l’épaisseur de la deuxième couche magnétique 31 ML n’est pas identique à l’épaisseur de la première couche magnétique 32 ML, car la première couche magnétique 32 ML est en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique AF 34, ce qui implique une modification de l’aimantation de la première couche magnétique 32 ML. Ainsi, la première couche magnétique 32 ML en CoFe10 a une épaisseur de 3,4nm et la deuxième couche magnétique 31 ML en CoFe10 a une épaisseur de 3nm. Cela permet d’avoir une aimantation totale de la couche libre 3 nulle. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 31 ML par rapport à la couche magnétique 32 ML est déterminée, par exemple en utilisant un VSM, en mesurant l’aimantation totale de la couche libre 3. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 31 ML peut en outre dépendre des conditions de dépôt de la couche, des températures de recuit et de la composition exacte de la couche antiferromagnétique 34 AF d’IrMn. C’est pourquoi l’épaisseur de la couche magnétique 31 ML doit être déterminée expérimentalement, par exemple en utilisant un VSM.
La couche non-magnétique espaceur 33 SP est en Ru, d’une épaisseur de 2nm, permettant un couplage RKKY antiferromagnétique fort entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML. En effet, l’épaisseur de la couche espaceur 33 SP a été choisie pour permettre une intensité de couplage RKKY antiferromagnétique inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique des deux couches magnétiques 21ML et 22 ML de la couche de référence 2. La courbe 40 de la figure 2 représentant l’intensité de couplage entre deux couches magnétiques de Co90Fe10 séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur, cette courbe ne peut être utilisée dans le mode de réalisation d’une GMR avec des couches magnétiques de CoFe10. En traçant la courbe représentant l’intensité de couplage entre deux couches magnétiques de CoFe10 séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur, puis en déterminant les minima de cette courbe, on obtient un second minimum correspondant à une épaisseur de 2nm. Il est aussi possible de prendre un autre minimum, d’épaisseur plus grande pour avoir une sensibilité plus élevée mais une plage de mesure plus réduite. Dans le cas d’une épaisseur choisie correspondant à un autre minimum de la courbe que le premier minimum, l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML est alors inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML, ce qui permet d’avoir une couche de référence 2 et une couche libre 3. Avec une épaisseur de Ru de 2nm, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML vaut environ 40mT. La couche libre 3 est donc une couche douce, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML étant faible, la coercivité de la couche de référence 2 étant donc faible.
Concernant le piégeage de l’orientation de l’aimantation des deux couches de référence 2 et libre 3, la première température de recuit est de 300°C avec un champ magnétique appliqué de 1T, et la deuxième température de recuit est de 200°C avec un champ magnétique appliqué de 100mT. Ces températures et champs magnétiques sont obtenus en fonction des propriétés magnétiques des couches antiferromagnétiques 24 AF et 34 AF utilisées et permettent de figer une orientation relative des aimantations des deux antiferromagnétiques 24 AF et 34 AF à 90 degrés en l’absence de champ magnétique extérieur. Cette « ré-orientation » à 90 degrés est obtenue par deux recuits, chaque recuit étant réalisé à une température assez élevée pour débloquer une des deux couches antiferromagnétiques et avec un champ magnétique appliqué. Ainsi, lors d’un premier recuit à une température assez élevée pour débloquer la couche d’antiferromagnétique le plus fort, un premier champ magnétique fort est appliqué pour aligner l’aimantation de la couche d’antiferromagnétique le plus fort. Ensuite, un second recuit à une température assez élevée pour débloquer la couche d’antiferromagnétique la plus faible est réalisé, durant lequel un second champ magnétique moins fort que le premier champ magnétique fort est appliqué pour aligner l’aimantation de la couche d’antiferromagnétique le plus faible sans affecter la couche de référence.
La « seed layer » est choisie afin d’assurer une bonne rugosité de croissance pour les couches suivantes. En effet, une rugosité importante détruit les propriétés magnétoresistives de l’empilement. Dans le cas de GMR, un empilement Ta/NiFe/Ru assure une croissance optimale sur substrat de silicium ou de saphir. Alternativement, des empilements Ta/Ru seulement peuvent donner des résultats corrects. Dans le cas de TMRs, un seed layer assez épais contenant du Ta et du Cu ou des alliages de Cu sont communément utilisés. Dans tous les cas, l’empilement doit être protégé par un cap layer qui empêche l’oxydation de pénétrer. Le cap layer le plus utilisé est le Ta mais certains matériaux comme Au ou Pt peuvent être utilisés.
La courbe de réponse de la figure 3b représente la résistance par surface carrée (en Ohms) de l’empilement 1 selon l’invention selon le mode de réalisation figure 3a, c’est-à-dire lorsqu’il est une GMR, en fonction du champ magnétique extérieur H (en Oersted) appliqué.
La Figure 4 représente un exemple d’empilement selon l’invention pouvant être compris dans un capteur TMR, sans que cet exemple ne soit limitatif.
L’empilement 1 selon l’invention comprend la couche de référence 2, la couche libre 3 et la couche espaceur 4.
Le couche espaceur 4 est en MgO 1,6nm pour avoir une magnétorésistance à effet tunnel dans l’empilement 1. Pour obtenir un grand effet TMR, les couches adjacentes de la couche espaceur 4 de barrière tunnel sont en CoFeB. Ainsi, les couches magnétiques 31 ML et 22 ML sont en CoFeB.
La couche de référence 2 comprend un empilement de type SAF comprenant deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML séparées par un espaceur 23 SP. La couche de référence 2 comprend en outre une couche de piégeage 24 AF de PtMn. L’épaisseur de la couche de PtMn doit être supérieure à 10nm afin de garantir un blocage suffisant. Des épaisseurs jusqu’à 25nm sont couramment utilisées. La première couche magnétique 21 ML, en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique 24 AF, a une épaisseur de 2,1nm est en CoFe10. Il est préférable d’avoir une couche magnétique 21 ML en CoFe10 pour avoir un meilleur couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique 24 AF que si on avait utilisé une couche magnétique 21 ML en CoFeB. La deuxième couche magnétique 22 ML a une épaisseur choisie pour compenser l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML, c’est-à-dire pour que l’aimantation de la deuxième couche magnétique 22 ML soit sensiblement la même que l’aimantation de la première couche magnétique 21 ML, en prenant en compte le fait que les deux couches ne sont pas faites du même matériau. Dans ce deuxième mode de réalisation, la première couche magnétique 21 ML en CoFe10 a une épaisseur de 2,1nm et la deuxième couche magnétique 22 ML en CoFeB a une épaisseur de 2,1 nm. Cela permet d’avoir une aimantation totale de la couche de référence 2 nulle. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 22 ML par rapport à la couche magnétique 21 ML est déterminée, par exemple en utilisant par exemple un VSM, en mesurant l’aimantation totale de la couche de référence 2. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 22 ML peut en outre dépendre des conditions de dépôt de la couche, des températures de recuit et de la composition exacte de la couche antiferromagnétique 24 AF de PtMn. C’est pourquoi l’épaisseur de la couche magnétique 22 ML doit être déterminée expérimentalement par exemple en utilisant un VSM.
La couche non-magnétique espaceur 23 SP est en Ru, d’une épaisseur de 0,85nm, permettant un couplage RKKY antiferromagnétique fort entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML. En effet, l’épaisseur de la couche espaceur 23 SP a été choisie pour permettre le plus fort couplage RKKY antiferromagnétique possible, c’est-à-dire que l’épaisseur correspondant au premier minimum sur la courbe représentant l’intensité de couplage entre une couche magnétique de CoFe10 et une couche magnétique de CoFeB séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur a été choisie. Ainsi, après avoir tracé cette courbe, en déterminant les minima de cette courbe, on obtient un premier minimum correspondant à une épaisseur de 0,85nm. A cette épaisseur, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML vaut environ 150mT. La couche de référence 2 est donc une couche dure, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML étant fort, la coercivité de la couche de référence 2 étant donc forte.
La couche libre 3 comprend un empilement de type SAF comprenant deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML séparées par un espaceur 33 SP. La couche libre 3 comprend en outre une couche de piégeage 34 AF d’IrMn afin de garantir une orientation à 90 degrés de la direction d’aimantation de la couche libre 3 par rapport à la direction d’aimantation de la couche de référence 2 en l’absence de champ magnétique extérieur pour avoir une plage de réponse linéaire du capteur GMR. La couche de piégeage 34 AF d’IrMn a une épaisseur de typique de 7nm. Cette épaisseur doit être supérieure à 5nm pour assurer un blocage suffisant. La première couche magnétique 32 ML, en CoFe10 et en couplage d’échange avec la couche antiferromagnétique 34 AF, a une épaisseur de 2,2nm. La deuxième couche magnétique 31 ML, en CoFeB, a une épaisseur choisie pour compenser l’aimantation de la première couche magnétique 32 ML, c’est-à-dire pour que l’aimantation de la deuxième couche magnétique 31 ML soit sensiblement la même que l’aimantation de la première couche magnétique 32 ML, en prenant en compte que les alliages des deux couches sont différents. La première couche magnétique 32 ML en CoFe10 a une épaisseur de 2,2nm et la deuxième couche magnétique 31 ML en CoFeB a une épaisseur de 2,2nm. Cela permet d’avoir une aimantation totale de la couche libre 3 nulle. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 31 ML par rapport à la couche magnétique 32 ML est déterminée par exemple en utilisant un VSM, en mesurant l’aimantation totale de la couche libre 3. L’épaisseur exacte de la couche magnétique 31 ML peut en outre dépendre des conditions de dépôt de la couche, des températures de recuit et de la composition exacte de la couche antiferromagnétique 34 AF d’IrMn. C’est pourquoi l’épaisseur de la couche magnétique 31 ML doit être déterminée expérimentalement par exemple en utilisant un VSM.
La couche non-magnétique espaceur 33 SP est en Ru, d’une épaisseur de 2nm, permettant un couplage RKKY antiferromagnétique fort entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML. En effet, l’épaisseur de la couche espaceur 33 SP a été choisie pour permettre une intensité de couplage RKKY antiferromagnétique inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique des deux couches magnétiques 21ML et 22 ML de la couche de référence 2. La courbe 40 de la figure 2 représentant l’intensité de couplage entre deux couches magnétiques de Co90Fe10 séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur, cette courbe ne peut être utilisée dans le mode de réalisation d’une TMR avec des couches magnétiques de CoFeB et de CoFe10. En traçant la courbe représentant l’intensité de couplage entre une couche magnétique de CoFeB et une couche magnétique de CoFe10 séparées par un espaceur Ru en fonction de l’épaisseur de l’espaceur, puis en déterminant les minima de cette courbe, on obtient un second minimum correspondant à une épaisseur de 1,9nm. Il est aussi possible de prendre un autre minimum, d’épaisseur d’espaceur plus grande pour avoir une sensibilité plus élevée mais une plage de mesure plus réduite. Dans le cas d’une épaisseur choisie correspondant à un autre minimum de la courbe que le premier minimum, l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML est alors inférieure à l’intensité de couplage RKKY antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 21 ML et 22 ML, ce qui permet d’avoir une couche de référence 2 et une couche libre 3. Avec une épaisseur de Ru de 1,9nm, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML vaut environ 20mT. La couche libre 3 est donc une couche douce, le couplage antiferromagnétique entre les deux couches magnétiques 31 ML et 32 ML étant faible, la coercivité de la couche de référence 2 étant donc faible.
Dans ce mode de réalisation, l’annulation de champ rayonné par compensation des aimantations est effective à la température de la pièce mais est moins effective à des températures plus élevées, notamment dû à des réactions aux températures différentes de l’aimantation des différentes couches magnétiques d’alliages différents.
Système de cartographie
magnétique d’un échantillon comprenant l’empilement 1
Une application particulièrement intéressante de l’empilement 1 selon l’invention, et notamment de capteur GMR ou TMR comprenant l’empilement 1, est celle de la cartographie de susceptibilité magnétique d’un matériau. Les propriétés d’un matériau sont souvent corrélées, comme ses propriétés magnétiques, cristallographies et mécaniques. La cartographie des propriétés magnétiques sur la surface d’un échantillon permet d’accéder et de compléter de façon non destructive à ces autres propriétés. Les GMR, étant donné leur sensibilité élevée, pourraient être de bons candidats à la cartographie magnétique d’échantillons. Cependant, un des problèmes de l’utilisation de GMR classiques pour la cartographie d’échantillons est leur champ rayonné, qui vient perturber la surface cartographiée et donc impacter les résultats.
Ainsi, l’invention concerne en outre un système de cartographie de susceptibilité magnétique d’un matériau comprenant au moins un empilement 1 selon l’invention, un système de balayage et un dispositif de génération de champs magnétiques dynamique et statique.
Le système de cartographie comprenant au moins un empilement 1 selon l’invention se base sur une méthode différente de celles proposées jusqu’à présent. Le matériau étudié doit être magnétique, par exemple ferromagnétique, antiferromagnétique, ferrimagnétique, paramagnétique, diamagnétique etc., ou modifier les lignes du champ magnétique appliqué, par exemple supraconducteur.
Une technique appelée susceptibilité incrémentale qui consiste à mesurer la susceptibilité d’un échantillon à un champ donné est utilisée avec une superposition d’un champ DC et AC. Un champ magnétique variable et un champ magnétique statique sont appliqués simultanément sur le matériau à étudier. Une contrainte est que ces champs doivent être appliqués sur la zone de mesure et de façon homogène. Ces champs créent une aimantation dans le matériau. Le champ de fuite crée par cette aimantation est mesuré à l’aide d’un capteur magnétique comprenant au moins un empilement 1 selon l’invention. La zone de mesure est définie comme la zone sur laquelle l’aimantation de l’échantillon crée les champs de fuite qui sont mesurés par le capteur. Les champs de fuite créés par l’extérieur de la zone de mesure sont trop faibles pour être mesurés.
Une mesure du champ de fuite crée par l’aimantation de l’échantillon à plusieurs champs statiques permet de décrire le cycle d’hystérésis 50. Le champ magnétique permet d’accéder à plusieurs propriétés. Si le champ est balayé une fois lentement, le cycle d’hystérésis de chaque point en surface du matériau peut être déterminé. Si le champ est alternatif, la variation de l’aimantation en fonction du champ magnétique, c’est-à-dire la susceptibilité est obtenue et peut être mesurée. Si un champ statique et un champ dynamique sont appliqués simultanément, la susceptibilité magnétique de l’échantillon à différentes positions de son cycle d’hystérésis 50 peut être mesurée. Cette propriété est dépendante de la fréquence de champ utilisée.
La susceptibilité magnétique peut être mesurée en différents points 51, 52 et 53 du cycle d’hystérésis 50 grâce à la superposition d’un champ magnétique statique et d’un champ magnétique dynamique. L’intérêt de cette double excitation est de pouvoir obtenir des informations supplémentaires sur le matériau et notamment quel type de magnétisme est présent. Pour certain matériaux magnétiques et notamment les aciers, les propriétés mécaniques et les propriétés magnétiques sont corrélées. La susceptibilité magnétique permet aussi une différentiation claire entre les phases structurales des aciers. L’imagerie en susceptibilité des aciers permet ainsi de remonter à la structuration locale des grains et ainsi de suivre l’évolution de ses propriétés mécaniques, liée à des phénomènes comme le vieillissement ou le traitement thermique en fabrication. Cette technique est donc un outil de « Contrôle santé matériaux ». En outre, un matériau ferromagnétique, ferrimagnétique ou antiferromagnétique aura une réponse différente sur les trois points 51, 52 et 53 alors qu’un matériau paramagnétique ou diamagnétique par exemple aura une réponse identique sur ces trois points 51, 52 et 53.
Des informations sur la microstructure magnétique de l’échantillon ainsi que de ses propriétés magnétiques à l’échelle locale peuvent être obtenues avec cette technique. La phase des signaux doit aussi être mesurée car elle contient des informations sur la façon dont les matériaux répondent aux champs magnétiques et donc sur le matériau lui-même.
Les champs magnétiques statique et dynamique peuvent être appliqués dans des directions différentes et à différentes fréquences pour le champ alternatif de quelques Hz jusqu’à la centaine de MHz afin d’optimiser le signal et d’adapter l’excitation au type d’échantillon. Le choix de la direction et de l’intensité va dépendre du type d’échantillon mesuré et de ses caractéristiques.
Un capteur magnétique 611 comprenant au moins un empilement 1 monté sur un système de balayage 612 en X, Y et Z se déplace au-dessus d’un échantillon magnétique 60 soumis à un champ magnétique 613. L’aimantation induite dans le matériau 601 par le champ magnétique 613 crée des champs de fuite 602 qui sont mesurés par le capteur 611. Le déplacement du capteur 611 selon les axes X, Y et Z permet de réaliser des cartographies des champs de fuite.
Dans la figure 6, lorsque l’échantillon magnétique 60 est soumis à un champ magnétique statique et/ou dynamique 613, une aimantation induite 601 est créée à la même fréquence que le champ magnétique statique et/ou dynamique 613 dans l’échantillon 60. Cette aimantation induite 601 crée des champs de fuite 602 à l’extérieur du matériau de l’échantillon 60 dus à l’énergie dipolaire qui vont être mesurés par le capteur magnétique 611. Le capteur 611 est monté sur un système de balayage 612 en X, Y et Z pour permettre son déplacement et/ou le déplacement de l’échantillon 60 afin de réaliser des cartographies des champs de fuite 602. L’échantillon 60 peut posséder une surface plane ou d’autre type. Il est nécessaire de connaitre la position du capteur 611 par rapport à la surface de l’échantillon 60 afin d’interpréter les mesures et les cartographies réalisées.
Le système de balayage 612 du système de cartographie 61 selon l‘invention permet un déplacement mais aussi un contrôle de la distance capteur-surface. Il peut être réalisé de n’importe quelle façon, mais ne doit pas créer de champ magnétique sur l’échantillon afin de ne pas perturber la mesure ou bien cet effet peut être compensé. Par exemple, des moteurs électriques millimétriques ou des supports piézoélectriques pour un déplacement plus précis peuvent être utilisés, ou une combinaison de plusieurs systèmes afin d’obtenir la largeur de balayage la plus grande avec la meilleure précision. Des systèmes de type microscope à sonde locale peuvent aussi être utilisé dans lesquels le déplacement est réalisé avec des supports piézoélectrique. Le capteur 611 peut être positionné à l’extrémité d’un bras de levier flexible de type pointe AFM (selon la dénomination anglo-saxonne « Atomic Force Microscope » pour « Microscope à Force Atomique »). La distance échantillon-capteur est mesurée et contrôlée optiquement grâce à la déflection du bras de levier. Les tailles des cartographies peuvent varier typiquement entre 10µm pour les supports piézoélectriques jusqu’à plusieurs centimètres avec des moteurs.
La surface de détection du capteur 611 ainsi que la distance matériau-capteur donneront la résolution latérale de la technique. La résolution latérale peut typiquement varier ente 100µm et 500nm. Le capteur 611, à l’aide du système de balayage 612, doit balayer la surface de l’échantillon 60 de préférence à hauteur constante afin de cartographier la distribution de l’aimantation ou de susceptibilité magnétique de l’échantillon 60.
Le capteur 611 doit pouvoir fonctionner avec le champ magnétique appliqué 613 et ne pas être saturé par exemple et doit pouvoir mesurer le champ de fuite 602 induit par l’échantillon 60. Le champ maximal applicable peut dépendre de la direction du champ magnétique appliqué 613 par rapport à l’axe de sensibilité du capteur. Une mesure de référence doit être réalisée afin de soustraire le signal sans échantillon.
Le capteur 611 est un capteur magnétorésistif comprenant au moins un empilement 1 selon l’invention de type TMR ou GMR. L’empilement 1 selon l’invention est particulièrement intéressant car, lorsqu’il est de type GMR ou TMR et compris dans un capteur GMR ou TMR comme décrit par exemple respectivement en premier mode de réalisation ou en deuxième mode de réalisation et comme représenté respectivement aux figures 3a et 4, il présente une réponse en champ centrée autour de 0 champ, non hystérétique et linéaire. Un avantage de l’empilement 1 selon l’invention compris dans un capteur GMR ou TMR est qu’il permet de mesurer des signaux sur une gamme de fréquence jusqu’à la centaine de MHz et sans induire des perturbations magnétiques sur l’échantillon.
L’échantillon 60 peut être mesuré sous différentes conditions de température, par exemple de très basse température de 10mK jusqu’à 450K, de pression, par exemple sous vide ou pression atmosphérique, et d’atmosphère, par exemple sous liquide pour des mesures d’échantillons biologiques.
Pour des capteurs unidirectionnels comme les capteurs GMR et TMR, l’utilisation de 3 capteurs possédant des directions de sensibilités orthogonales peut permettre une mesure des champs de fuite 602 dans les 3 directions de l’espace. Une autre possibilité est de positionner des capteurs TMR ou GMR comprenant chacun au moins un empilement 1 selon l’invention de type TMR ou GMR sur les faces d’un support 701 en forme de tétraèdre afin d’orienter les capteurs par exemple à 45° dans la direction Z et à 90° dans le plan XY. Le capteur magnétique 701 composé de plusieurs capteurs 611 sur les 4 faces d’une pyramide ou sur les 3 faces d’un tétraèdre afin d’accéder et de reconstruire les différentes composantes des champs de fuite 602 émis par l’échantillon 60 est représenté schématiquement à la figure 7. La mesure des signaux provenant de ces 4 capteurs TMR ou GMR comprenant chacun au moins un empilement 1 selon l’invention permet de reconstruire les 3 composantes des champs de fuite 602 en X, Y et Z. De la même façon, des empilements 1 de type TMR ou GMR peuvent être déposées sur un substrat flexible qui peut être enroulé sous forme de cône (non représenté) par exemple afin d’accéder aux différentes composantes du champ magnétique par reconstruction. L’embout tétraédrique comme le cône peuvent être placés à l’extrémité d’un bras de levier flexible 702 de type AFM, comme représenté à la Figure 7 pour le support tétraédrique 701.
Une autre possibilité est l’utilisation de réseaux de capteurs 611 qui peuvent permettre de couvrir une surface plus large et donc de réaliser des cartographies plus rapidement ou de mesurer des échantillons plus grands.
Le substrat ou support sur lequel le capteur 611 est fabriqué, ou déposé par exemple dans le cas des GMRs et TMRs, doit être isolant ou bien doit être composé d’un matériau qui ne répond pas aux champs magnétiques. Les substrats typiquement utilisés sont du silicium ou du saphir. Ce substrat, élément nécessaire du capteur 611 pour sa fabrication mais non nécessaire à sa fonction de transducteur ne doit pas créer de réponse parasite suite à l’application du champ magnétique 613.
Le contrôle et la détermination de la hauteur du capteur 611 par rapport à la surface de l’échantillon 60 sont des critères déterminants pour la reconstruction de l’aimantation induite 601 à partir du signal mesuré. La connaissance de la sensibilité du capteur 611 en fonction du champ magnétique détecté est aussi nécessaire pour la reconstruction quantitative.
A la figure 8a est représenté un des deux éléments principaux contrôlant la résolution latérale de la cartographie : la distances échantillon-capteur. La résolution latérale de la cartographie des champs de fuite 602, comme montré en figure 8a, dépend de la distance entre l’échantillon 60 et le capteur 611. Deux distances différentes 801 et 802 sont représentées. Les champs de fuite 602 créés par l’aimantation 601 dans l’échantillon 60 diminuent en l’inverse de la distance échantillon-capteur au cube.
La distance échantillon-capteur doit être inférieure à la taille des éléments magnétiques à discerner. Un exemple de signal est présenté en figure 8a en fonction de la position latérale du capteur 611 pour la hauteur 801. Une perte d’information est sinon obtenue lorsque la distance échantillon capteur est trop grande comme montré figure 8a pour la hauteur 802 sur le schéma montrant le signal magnétique mesuré par le capteur 611 en fonction de la position latérale. Une convolution entre le champ de fuite 602 émis par les différents objets magnétiques est alors mesurée par le capteur 611.
Un effet similaire est observé avec la taille latérale du capteur 611.
A la figure 8b est représenté l’autre des deux éléments principaux contrôlant la résolution latérale de la cartographie : la taille du capteur. La résolution latérale de la cartographie des champs de fuite 602, comme montré en figure 8b, dépend de la taille du capteur 611. Deux tailles différentes 811 et 812 sont représentées.
Le capteur 611 réalise une moyenne des valeurs du champ de fuite 602 sur toute sa surface, ce qui implique une réduction de la résolution latérale avec une augmentation de la largeur de la zone sensible du capteur 611 comme indiqué figure 8b avec les tailles 811 et 812 de capteurs et les signaux magnétiques mesurés en fonction de la position latérale sur l’échantillon. Une perte d’information est obtenue lorsque la taille du capteur est trop grande comme montré figure 8a pour la taille 812 sur le schéma montrant le signal magnétique mesuré par le capteur 611 en fonction de la position latérale.
La figure 9 décrit le schéma électrique de la mesure de champ de fuite 602 émis en continu par l’échantillon 60 soumis à un champ magnétique statique 901 crée par une source de courant 910 dans une bobine. Ce champ magnétique statique 901 peut aussi être créé d’une autre manière par une source de courant 910. L’échantillon 60 peut être simultanément soumis à un deuxième champ magnétique 902, celui-ci alternatif à la fréquence f1 et créé par une source de courant 911 à la fréquence f1. Le capteur 611 est alimenté avec une source de courant ou de tension 912 à la fréquence f2, le signal de sortie est ensuite amplifié par un amplificateur bas bruit 913. Ensuite, une démodulation du signal amplifié est réalisée par un démodulateur 940 jouant le rôle de lock-in. La fréquence de démodulation permet de différentier le signal AC et le signal DC. Le signal démodulé à la fréquence f2 correspond au signal continu émis par l’échantillon 60 soumis au champ statique 901. Le signal démodulé à la fréquence f2-f1 correspond au signal alternatif émis par l’échantillon 60 suite à l’application du champ AC 902 à la fréquence f1. La réponse du matériau 60 à l’application d’un champ statique et dynamique peut donc être mesurée simultanément.
Un premier mode de réalisation est d’utiliser 4 capteurs GMRs positionnés sur 4 faces d’une pyramide (ou 3 capteurs sur un tétraèdre) comme représenté à la Figure 7, afin d’accéder et de reconstruire les différentes composantes des champs de fuite émis par l’échantillon. Chaque capteur 611 est positionné à 45° de la direction Z, 2 capteurs 611 sont parallèles à l’axe X et 2 capteurs sont alignés avec l’axe Y. Les capteurs GMRs 611 possèdent une réponse linéaire entre 5 et -5mT, non hystérétique et centrée autour de 0 champ magnétique qui a été obtenue grâce à l’empilement 1 de couches magnétiques composant le capteur GMR comme représenté à la figure 3. La sensibilité typique est de 5nT/√Hz à 1Hz. Les capteurs GMRs 611 sont de tailles micrométriques typiquement 3µm par 10µm et sont par exemple positionnés à 10µm de la pointe de la pyramide ou du tétraèdre. De ces dimensions vont dépendre la résolution latérale qui, dans ce cas, sera de l’ordre de 3 à 10µm. Cette pyramide 701 est positionnée sur le système de balayage 612 dont le mouvement en X, Y et Z est rendu possible par exemple par la présence de moteurs. Ce système 612 permet donc le balayage de la pointe sur l’échantillon à mesurer qui dans ce cas est planaire et aligné dans le plan X, Y. Le système de balayage 612 permet aussi le contrôle de la hauteur entre les capteurs 611 et l’échantillon 60 et qui doit être la plus petite possible. Cet alignement doit être réalisé à l’œil. Typiquement, dans ce cas, 30µm minimum entre le capteur 611 et l’échantillon 60 peuvent être atteint, ce qui limite la résolution latérale à 30µm. L’échantillon 60 étudié peut par exemple être une lamelle d’acier doux contenant des grains de cristallographie différente et possédant un diamètre de l’ordre de la dizaine de micromètres (µm). Un champ magnétique 613 compris entre -1mT et +1mT est appliqué dans la direction Z par exemple grâce à des bobines de Helmholtz suffisamment grandes pour être positionnées autour de l’échantillon 60 et des capteurs 611 et permettre l’application d’un champ homogène sur l’échantillon 60. Le capteur 611 est alimenté par une source de courant de 1mA à 30Hz. Le signal de sortie est ensuite amplifié par un amplificateur bas bruit 913 de type INA103. Ensuite une démodulation du signal amplifié est réalisée par le démodulateur 940 par lock-in à la fréquence 30Hz. Le champ appliqué 613 induit une aimantation 601 dans l’échantillon 60 qui crée alors un champ de fuite 602 mesuré par le capteur 611. La mesure est alors réalisée pour des champs statiques 901 de 10 Oe à -10Oe par pas de 1Oe afin de reconstruire le cycle d’hystérésis 50 de l’échantillon 60. Une mesure de ce cycle d’hystérésis 50 à chaque position X, Y avec un pas inférieur à 30µm de l’échantillon permet de réaliser une cartographie du comportement magnétique de l’échantillon 60 par exemple d’acier. Des grains de cristallographies différentes vont présenter de cycles d’hystérésis 50 différents permettant ainsi d’identifier la cristallographie des grains, leur taille et leur position sur l’échantillon 60 avec une résolution de 30µm.
Un deuxième mode de réalisation est d’intégrer un capteur TMR 611 au bout d’un bras de levier flexible 702 de type AFM. Cette intégration pourra se faire par des étapes spécifiques de microfabrication. Ces étapes de microfabrication nécessitent l’utilisation de wafer spécifiques, par exemple un wafer de Si recouvert par une couche de 1µm de Si3N4. Ces étapes de microfabrication combinent une première gravure par RIE (Reactive Ion Etching) du Si3N4 afin de créer des fenêtres de gravure du Si par gravure chimique KOH sous les pointes. La libération des pointes est réalisée par gravure RIE en face avant grâce à un masque en Aluminium qui peut être facilement enlevé en fin de procédé avec une solution basique. Deux autres exemples d’étapes de fabrication de bras de levier flexible peuvent être trouvés dans les références (Takezaki et al., Japanese Journal of Applied Physics Vol. 45, No. 3B, 2006, pp. 2251–2254, Costa et al., IEEE Trans. Magn. 2015, 51, 1–4). Le capteur TMR possède une réponse linéaire entre 0.5 et -0.5mT, non hystérétique et centrée autour de 0 champ magnétique qui a été obtenue grâce à l’empilement 1 de couches magnétiques composant le capteur TMR comme représenté à la Figure 4. La détectivité typique est de 1nT/√Hz à 1Hz et 5pT/√Hz à 100kHz. Les TMR possèdent une sensibilité beaucoup plus grande que les GMRs mais aussi un bruit beaucoup élevé. Les capteurs TMRs sont donc intéressants à haute fréquence et pour la réduction de taille. La TMR est microfabriquée en forme de pilier de diamètre 100nm et est positionnée à 100nm du bout de la pointe du bras de levier flexible 702. De ces dimensions vont dépendre la résolution latérale qui dans ce cas sera de l’ordre de 100nm. Ce bras de levier, est inséré capteur vers le bas dans un microscope de type AFM, dans lequel une détection optique de la déflexion du bras de levier permet un contrôle/ mesure de la hauteur entre capteur 611 et échantillon 60. Une topographie de la surface et de la rugosité de surface de l’échantillon 60 est ainsi possible. Cette mesure de la hauteur est indépendante et simultanée de la mesure magnétique, contrairement au MFM. Dans ce cas, le capteur 611 sur le bras de levier est fixe et l’échantillon se déplace. Le mouvement de l’échantillon 60 est permis par le système de balayage 612 par exemple grâce à des tubes piézoélectriques permettant un contrôle nanométrique de la position de l’échantillon 60 par rapport au capteur TMR 611. Le bout du bras de levier est en contact avec la surface de l’échantillon 60 mais le bras de levier forme un angle de 20° par rapport à la surface de l’échantillon 60. La distance échantillon capteur est donc de 100nm x sin(20) = 34nm. La résolution latérale est donc limitée par la taille du capteur 611 qui est de 100nm. L’échantillon 60 étudié est par exemple un film mince composé d’un damier de 2 matériaux. L’échantillon 60 est par exemple une lamelle d’acier ayant subi un traitement thermique. Il est possible que certaines parties composant la lamelle n’aient pas évolué de façon conforme au traitement thermique dû à des défauts dans le matériau composant l’échantillon 60. La taille de ces parties ou grains est de l’ordre de la centaine de nanomètre. Le reste de la lamelle est uniforme. Les deux phases possèdent donc une cristallographie différente et donc une susceptibilité magnétique différente. Un champ magnétique dynamique de 0.1mT à fréquence f1 de 100kHz est appliqué dans la direction Z par exemple grâce à des bobines de Helmholtz suffisamment grandes pour être positionnées autour de l’échantillon 60 et des capteurs 611 et permettre l’application d’un champ homogène sur l’échantillon 60. Le capteur 611 est alimenté par une source de courant de 1mA à une fréquence f2 de 30kHz. Le signal de sortie est ensuite amplifié par un amplificateur bas bruit 913 de type INA103. Ensuite une démodulation du signal amplifié est réalisée par le démodulateur 940 par lock-in à la fréquence f2 – f1 = 100kHz - 30kHz = 70kHz. Le signal alternatif émis par l’échantillon 60 suite à l’application du champ AC 902 est ainsi obtenu. Une mesure de ce signal à chaque position X, Y avec un pas inférieur à 100nm de l’échantillon 60 permet de réaliser une cartographie de la susceptibilité magnétique de l’échantillon 60. Des zones homogènes en susceptibilité magnétique apparaitront sur les cartographies et permettront de localiser et identifier les grains de microstructure différente.
Il apparaîtra bien sûr à l’homme du métier que l’invention ne se limite pas aux modes de réalisation et aux applications précédemment décrits.
Claims (9)
- Empilement magnétorésistif (1) comprenant au moins :
- Une couche de référence (2) comprenant au moins :
- Une première couche magnétique (21),
- Une première couche antiferromagnétique (24) en couplage d’échange avec la première couche magnétique (21),
- Une deuxième couche magnétique (22) sensiblement de même aimantation que la première couche magnétique (21),
- Une première couche non-magnétique espaceur (23) entre la première couche magnétique (21) et la deuxième couche magnétique (22) d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la première couche magnétique (21) et la deuxième couche magnétique (22), ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une première intensité de couplage,
- Une couche libre (3) ayant une coercivité inférieure à 10 microTesla, la couche libre (3) comprenant au moins :
- Une troisième couche magnétique (32),
- Une deuxième couche antiferromagnétique (34) en couplage d’échange avec la troisième couche magnétique (32),
- Une quatrième couche magnétique (31) sensiblement de même aimantation que la troisième couche magnétique (32),
- Une deuxième couche non-magnétique espaceur (33) entre la troisième couche magnétique (32) et la quatrième couche magnétique (31) d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la troisième couche magnétique (32) et la quatrième couche magnétique (31), ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une deuxième intensité de couplage inférieure à la première intensité de couplage,
- Une troisième couche non magnétique espaceur (4) séparant la couche de référence (2) et la couche libre (3).
- Une couche de référence (2) comprenant au moins :
- Empilement magnétorésistif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’empilement magnétorésistif (1) est une magnétorésistance géante.
- Empilement magnétorésistif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la troisième couche non magnétique espaceur (4) est une barrière tunnel et en ce que l’empilement magnétorésistif (1) est une magnétorésistance tunnel.
- Capteur magnétorésistif (611) comprenant au moins un empilement magnétorésistif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- Capteur magnétorésistif (611) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comprend un support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701), en ce qu’il comprend trois, respectivement quatre empilements magnétorésistifs (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 et en ce que les quatre empilements magnétorésistifs (1) sont disposés chacun sur une face différente du support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701).
- Capteur magnétorésistif (611) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comprend un bras de levier flexible (702), ledit bras de levier comprenant en son extrémité le support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701) comprenant lesdits quatre empilements magnétorésistifs (1).
- Système de cartographie magnétique (61) d’au moins un échantillon magnétique (60) caractérisé en ce qu’il comprend au moins capteur magnétorésistif (611) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 pour détecter les champs de fuite émis par l’échantillon magnétique (60), un système de balayage (612) et une première source de courant (910) configurée pour créer un premier champ magnétique (901) appliqué à l’échantillon magnétique (60).
- Système de cartographie magnétique (61) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier champ magnétique (901) créé par la première source de courant est un champ magnétique statique (901), en ce que le système de cartographie magnétique (61) comprend une deuxième source de courant (911) configurée pour créer un champ magnétique dynamique (902) appliqué à l’échantillon magnétique (60).
- Système de cartographie magnétique (61) selon la revendication précédente caractérisé en ce que :
- le champ magnétique dynamique est créé à une première fréquence (f1), le capteur magnétorésistif (611) est alimenté à une deuxième fréquence (f2),
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) comprend :
- un premier signal continu émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique statique (901) et
- un deuxième signal alternatif émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique dynamique (902),
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) est démodulé à la deuxième fréquence (f2) pour retrouver le premier signal continu émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique statique (901) et
- chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) est démodulé à la fréquence (f2-f1) correspondant à la soustraction de la première fréquence (f1) à la deuxième fréquence (f2) pour retrouver le deuxième signal alternatif émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique dynamique (902).
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1910317A FR3101156B1 (fr) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement |
| US17/762,233 US20220384715A1 (en) | 2019-09-19 | 2020-09-16 | Magnetoresistive stack without radiated field, sensor and magnetic mapping system comprising such a stack |
| PCT/EP2020/075896 WO2021053033A1 (fr) | 2019-09-19 | 2020-09-16 | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement |
| EP20772061.6A EP4031888A1 (fr) | 2019-09-19 | 2020-09-16 | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1910317A FR3101156B1 (fr) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement |
| FR1910317 | 2019-09-19 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3101156A1 true FR3101156A1 (fr) | 2021-03-26 |
| FR3101156B1 FR3101156B1 (fr) | 2021-10-15 |
Family
ID=69190900
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1910317A Active FR3101156B1 (fr) | 2019-09-19 | 2019-09-19 | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220384715A1 (fr) |
| EP (1) | EP4031888A1 (fr) |
| FR (1) | FR3101156B1 (fr) |
| WO (1) | WO2021053033A1 (fr) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1019907A (ja) * | 1996-07-04 | 1998-01-23 | Canon Inc | 微小探針の製造方法と微小探針、その微小探針を用いたプローブの製造方法とプローブ、及びそれを用いた磁気顕微鏡 |
| US20070115596A1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-24 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic detecting element having pinned magnetic layer with pinned magnetization direction and free magnetic layer formed on pinned magnetic layer with nonmagnetic material layer interposed between with magnetization direction changing by external magnet |
| US20110061139A1 (en) * | 2009-09-04 | 2011-03-10 | Ahmet Oral | Method to measure 3 component of the magnetic field vector at nanometer resolution using scanning hall probe microscopy |
| WO2015105830A1 (fr) | 2014-01-09 | 2015-07-16 | Allegro Microsystems, Llc | Element a effet de magnetoresistance a reponse amelioree aux champs magnetiques |
| WO2016196157A1 (fr) | 2015-06-05 | 2016-12-08 | Allegro Microsystems, Llc | Élément de magnétorésistance à vanne de spin à réponse améliorée aux champs magnétiques |
| EP3531153A1 (fr) * | 2018-02-21 | 2019-08-28 | Allegro MicroSystems, LLC | Vanne de spin avec alignement de polarisation |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3559158B2 (ja) * | 1998-02-06 | 2004-08-25 | 株式会社リコー | 近磁界プローブによる電磁ノイズ測定装置及び電磁ノイズ測定方法 |
| EP2060875B1 (fr) * | 2006-09-12 | 2019-11-06 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Appareil de mesure de quantite physique et procede de traitement de signaux de celui-ci |
| WO2016081833A2 (fr) * | 2014-11-20 | 2016-05-26 | The Trustees Of Dartmouth College | Système et procédé pour l'évaluation magnétique de réserves de fer dans l'organisme |
-
2019
- 2019-09-19 FR FR1910317A patent/FR3101156B1/fr active Active
-
2020
- 2020-09-16 EP EP20772061.6A patent/EP4031888A1/fr active Pending
- 2020-09-16 WO PCT/EP2020/075896 patent/WO2021053033A1/fr unknown
- 2020-09-16 US US17/762,233 patent/US20220384715A1/en active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1019907A (ja) * | 1996-07-04 | 1998-01-23 | Canon Inc | 微小探針の製造方法と微小探針、その微小探針を用いたプローブの製造方法とプローブ、及びそれを用いた磁気顕微鏡 |
| US20070115596A1 (en) * | 2005-11-21 | 2007-05-24 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic detecting element having pinned magnetic layer with pinned magnetization direction and free magnetic layer formed on pinned magnetic layer with nonmagnetic material layer interposed between with magnetization direction changing by external magnet |
| US20110061139A1 (en) * | 2009-09-04 | 2011-03-10 | Ahmet Oral | Method to measure 3 component of the magnetic field vector at nanometer resolution using scanning hall probe microscopy |
| WO2015105830A1 (fr) | 2014-01-09 | 2015-07-16 | Allegro Microsystems, Llc | Element a effet de magnetoresistance a reponse amelioree aux champs magnetiques |
| WO2015105836A1 (fr) | 2014-01-09 | 2015-07-16 | Allegro Microsystems, Llc | Élément à magnétorésistance ayant une couche germe améliorée pour favoriser une meilleure réponse aux champs magnétiques |
| WO2016196157A1 (fr) | 2015-06-05 | 2016-12-08 | Allegro Microsystems, Llc | Élément de magnétorésistance à vanne de spin à réponse améliorée aux champs magnétiques |
| EP3531153A1 (fr) * | 2018-02-21 | 2019-08-28 | Allegro MicroSystems, LLC | Vanne de spin avec alignement de polarisation |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| C.FERMONM. VAN DER VOORDE: "Nanomagnetism, Applications and perspectives", 2017, WILEY |
| COSTA ET AL., IEEE TRANS. MAGN., vol. 51, 2015, pages 1 - 4 |
| GREGUSOVA D ET AL: "Technology and properties of a vector hall sensor", MICROELECTRONICS JOURNAL, MACKINTOSH PUBLICATIONS LTD. LUTON, GB, vol. 37, no. 12, 1 December 2006 (2006-12-01), pages 1543 - 1546, XP028078986, ISSN: 0026-2692, [retrieved on 20061201], DOI: 10.1016/J.MEJO.2006.05.017 * |
| PARKIN ET AL., PHYS. REV. LETT., vol. 67, 1991, pages 3598 |
| TAKEZAKI ET AL., JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, vol. 45, no. 3B, 2006, pages 2251 - 2254 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20220384715A1 (en) | 2022-12-01 |
| WO2021053033A1 (fr) | 2021-03-25 |
| WO2021053033A9 (fr) | 2021-05-14 |
| FR3101156B1 (fr) | 2021-10-15 |
| EP4031888A1 (fr) | 2022-07-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2529243B1 (fr) | Magnetometre integre et son procede de fabrication | |
| Bobo et al. | Recent advances in nanomagnetism and spin electronics | |
| CN102270736B (zh) | 一种用于磁敏传感器的磁性纳米多层膜及其制造方法 | |
| Liu et al. | A CMOS Hall-effect sensor for the characterization and detection of magnetic nanoparticles for biomedical applications | |
| KR101105069B1 (ko) | 자기 저항 소자 | |
| FR2774774A1 (fr) | Magnetoresistance a effet tunnel et capteur magnetique utilisant une telle magnetoresistance | |
| WO2003001225A1 (fr) | Microscope magnetique a balayage muni d'un capteur magnetique ameliore | |
| JP2010533367A (ja) | 横方向のスピン移動を用いた低ノイズ磁気センサ | |
| JP2006520538A (ja) | 強磁性／反強磁性検知要素を備えた磁気抵抗センサー | |
| EP3009853B1 (fr) | Capteur de champ magnetique pour la detection d'au moins deux composantes de champ magnetique | |
| JP2017103378A (ja) | 磁気抵抗効果素子及び磁気センサ、並びに磁気抵抗効果素子の製造方法及び磁気センサの製造方法 | |
| FR3101156A1 (fr) | Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement | |
| Briones et al. | Local magnetic anisotropy induced by a nano-modulated substrate and application to two-dimensional magnetic sensors | |
| JP4485393B2 (ja) | 磁気力測定方法 | |
| Bocheux et al. | High sensitivity magnetic field sensor for spatial applications | |
| Zhou et al. | Tunneling magnetoresistance (TMR) materials and devices for magnetic sensors | |
| Manceau et al. | Large amplification of the sensitivity of symmetric-response magnetic tunnel junctions with a high gain flux concentrator | |
| US11821818B2 (en) | Biosensor for detecting a single magnetic label | |
| Obeid et al. | Eddy current testing for detecting small defects in thin films | |
| Hadadeh | 3D Probe for Magnetic Imaging and Non-destructive Testing | |
| Lamichhane et al. | Half bridge configurated magneto-resistive sensors with flux guide structure for enhancing sensitivity | |
| Mohamed | Study of nanomagnetic properties of multi functional nano-materials by an ultrasensitive planar Hal l effect microprobe | |
| Wolf | Nanophysics and nanotechnology applied to sensors, part 1 | |
| Xu | Spin Hall effect in paramagnetic thin films | |
| CN111341908A (zh) | 一种具有微波放大功能的磁性隧道结 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210326 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |