<strong>La</strong> magnétorésistance1<strong>La</strong> magnétorésistance traduit la dépendancede la résistivité électri<strong>que</strong> en fonction de l’aimantationd’un matériau, et donc en fonction d’unchamp magnéti<strong>que</strong> appliqué. Depuis très longtemps(1857) est connue la magnétorésistanceanisotrope : la résistivité électri<strong>que</strong> varied’environ 4 % en fonction de l’angle entre lecourant et l’aimantation de la couche et estminimale lors<strong>que</strong> le courant se propage perpendiculairementà l’aimantation locale.<strong>La</strong> magnétorésistance géante a été découverteen 1988, conjointement par Albert Fert (Orsay) et Peter Grunberg(Allemag<strong>ne</strong>), dans des multicouches Fe/Cr. Ce phénomè<strong>ne</strong> estexploité dans les van<strong>ne</strong>s de spin (1) où deux couches ferromagnéti<strong>que</strong>ssont séparées par u<strong>ne</strong> fi<strong>ne</strong> couche non magnéti<strong>que</strong>(par exemple du cuivre, non représenté sur la figure) : la résistancevarie de 10 à 20% en fonction de l’orientation relative desaimantations des deux couches magnéti<strong>que</strong>s et est minimalelors<strong>que</strong> les aimantations des deux couches magnéti<strong>que</strong>s sontparallèles. Si l’u<strong>ne</strong> des couches voit sa direction d’aimantationfixée, et si la seconde est très sensible au champ appliqué, ceR
Des nanosciences aux nanotechnologiesFigure 1.Schéma illustrantla transition obtenuepar irradiationpar des ions hélium, entrela phase chimi<strong>que</strong>mentdésordonnée (à gauche),et la phase chimi<strong>que</strong>mentordonnée (à droite),qui présente u<strong>ne</strong> directionfacile d’aimantation,suivant l’axe C,perpendiculaire auplan des couches puresde fer (en rouge) etde plati<strong>ne</strong> (en bleu).Banc de mesures électri<strong>que</strong>s spectrales large bande(0-26 GHz) dédiés à l’étude de nanostructures magnéti<strong>que</strong>sà courant polarisé en spin au <strong>CEA</strong>/Grenoble.petits grains d’alliage ferromagnéti<strong>que</strong> (1) à base de cobalt,de chrome et de plati<strong>ne</strong> (CoCrPt).Afin de préserver unrapport signal sur bruit acceptable en dépit de la dispersiondes propriétés des grains, un nombre minimal de100 grains par bit d’information est nécessaire. Auxdensités de stockage actuelles (30 Gbit/cm 2 ),la taille desgrains est maintenant d’environ 7 nm et, dans le cadredes technologies actuelles, <strong>ne</strong> pourra plus <strong>être</strong> réduitefortement sans remettre en cause la stabilité de l’informatio<strong>ne</strong>n fonction de la température, la barrièred’é<strong>ne</strong>rgie séparant deux directions de l’aimantationdevenant trop faible pour éviter un comportementsuperparamagnéti<strong>que</strong>.Face à cette difficulté,deux voiessont explorées, au niveau international et au <strong>CEA</strong> :l’utilisation de matériaux nouveaux présentant de trèsfortes anisotropies magnétocristalli<strong>ne</strong>s et la mise enœuvre de nouvelles géométries de média.Parmi les nouveaux matériaux envisagés, le meilleurcandidat est certai<strong>ne</strong>ment l’alliage de fer et de plati<strong>ne</strong>(FePt), à l’anisotropie magnétocristalli<strong>ne</strong> gigantes<strong>que</strong>CArtechni<strong>que</strong>/<strong>CEA</strong>sous sa phase chimi<strong>que</strong>ment ordonnée (dite L1 0 ), qui<strong>peut</strong> <strong>être</strong> vue comme u<strong>ne</strong> alternance de plans atomi<strong>que</strong>spurs de fer et de plati<strong>ne</strong> (figure 1).L’aimantationserait stable à température ambiante pour des grainsde 3 nm! Le problème est <strong>que</strong> cette phase particulièren’apparaît qu’à des températures de croissance de 500 °Cenviron, délicates à mettre en œuvre en fabrication.Aussi,en collaboration avec des équipes d’Orsay (CNRS)et du centre de recherche allemand de Rossendorf, le<strong>CEA</strong>/Grenoble a exploré u<strong>ne</strong> voie novatrice reposantsur l’utilisation d’ions hélium pour accélérer les processusde mise en ordre chimi<strong>que</strong> à températuremodérée. En effet, à des é<strong>ne</strong>rgies de 20 à 130 keV,l’interaction ion-matière est faible (un atome déplacépour 100 plans atomi<strong>que</strong>s traversés) et le transfertd’é<strong>ne</strong>rgie limité: l’atome cible est déplacé de <strong>que</strong>l<strong>que</strong>sdistances interatomi<strong>que</strong>s, dans u<strong>ne</strong> position interstitielle,laissant u<strong>ne</strong> lacu<strong>ne</strong> dans le réseau cristallin.Dans ces conditions particulières, il n’est pas introduitde désordre, et les lacu<strong>ne</strong>s créées – par le faisceau incident– diffusent au sein du matériau. Elles permettentaux atomes de changer de site sur le réseau dans deséchanges hors équilibre, à basse température. En irradiantà u<strong>ne</strong> température de l’ordre de seulement 200à 300 °C,elles offrent au système la possibilité de relaxervers son état ordonné,plus stable.Le mécanisme reposesur le biais é<strong>ne</strong>rgéti<strong>que</strong> du mouvement de la lacu<strong>ne</strong>,piloté par les liaisons créées et rompues, qui favorisela mise en ordre chimi<strong>que</strong> en reconstruisant la phasestable au fil des échanges successifs entre atomes voisins.À partir de conditions initiales particulières, unordre chimi<strong>que</strong> pres<strong>que</strong> parfait est ainsi obtenu,démontrantainsi u<strong>ne</strong> versatilité nouvelle des techni<strong>que</strong>s d’irradiation,etrendant le matériau FePt synthétisable dansdes conditions technologi<strong>que</strong>ment acceptables.À plus long terme, l’avenir repose probablement surl’abandon des médias continus au bénéfice de médiasdiscrets. Dans les médias actuels, plusieurs dizai<strong>ne</strong>s degrains cristallographi<strong>que</strong>s d’un alliage à base de CoCrPtsont utilisés pour supporter un seul bit d’information,afin de compenser par un effet de moyen<strong>ne</strong> ladispersion des propriétés de ces grains.Dans des médiasdiscrets, des plots magnéti<strong>que</strong>s, tous identi<strong>que</strong>s, sontphysi<strong>que</strong>ment isolés les uns des autres. Il est alorspossible d’utiliser un seul grain par bit, ce qui permetd’accroître fortement les densités accessibles. Dans lelaboratoire Spintec du <strong>CEA</strong>/Grenoble, associant laDirection des sciences de la matière du <strong>CEA</strong>,le CNRS,l’université Joseph Fourier et l’INPG (Institut nationalpolytechni<strong>que</strong> de Grenoble), en collaboration avecle <strong>CEA</strong>-Leti (<strong>La</strong>boratoire d’électroni<strong>que</strong> et de technologiede l’information), u<strong>ne</strong> solution originale estexplorée. Elle consiste dans la gravure préalable dususbtrat (silicium, verre, aluminium) sous la formed’un réseau de plots,avant le dépôt du matériau magnéti<strong>que</strong>,qui vient alors recouvrir le sommet des plots etles tranchées qui les séparent. Cependant, du fait dela plus grande proximité avec la tête de lecture,la partieutile du dépôt magnéti<strong>que</strong> est située au seul sommetdes plots. <strong>La</strong> figure 2 montre l’exemple d’u<strong>ne</strong> imagemagnéti<strong>que</strong> obtenue sur un tel média. Des densitésde 40 Gbit/cm 2 ont été démontrées, et la voie semble(1) Ferromagnéti<strong>que</strong> : propriété qu’ont certains corpsmétalli<strong>que</strong>s de présenter u<strong>ne</strong> aimantation forte, dans le mêmesens <strong>que</strong> le champ appliqué.10CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 52 - ÉTÉ 2005
Change language