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Theses Year : 2015

Electric and chemical manipulation of magnetic anisotropy of ultrathin ferromagnetic films

MANIPULATION ÉLECTRIQUE ET CHIMIQUE DE L’AIMANTATION DES COUCHES ULTRA MINCES

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1
Nan Di
  • Function : Author
  • PersonId : 972591

Abstract

Spintronics is primarily based on the precise control of a nanostructure magnetization direction, are becoming increasingly important issues in device miniaturization. One line of research is tailoring the magnetic anisotropy energy (MAE) of the nanostructure. A second line aims at manipulating the magnetization through the magneto-electric coupling effect (MEC). In this work, influences of surface chemistry and influences of electric field on the MAE of the ferromagnetic thin films (cobalt) have been studied separately by an all electrochemical approach, compared to solid state devices. The electrolyte environments allow us to deposit ultraflat 2D epitaxial thin films; modify the surface chemistry easily; and apply a relative large and uniform electric field through a naturally formed defects-free ionic dielectric double layer. Oxidation of the Co was achieved in an alkaline electrolyte. The structures of different oxide layers were investigated via DFT calculations and electrochemical charge. Their influences on the MAE were studied in real time by in-situ polar magneto-optic Kerr effect (MOKE) measurements. Influences of other molecular layers linked by –S, -C, -N were also investigated. MEC effects only due to the electric field of Co thin films covered by different molecular layers were characterized quantitatively, and dependence of MEC effect with the surface chemistry was observed. Furthermore, modifications of MAE of Pd-Co systems induced by H ad/absorption were analyzed as well. In most cases, theoretic hypothesis were suggested to explain the experimental results.
Le développement de composants actifs en électronique de spin bénéficierait de la <> électrique de la direction de l’aimantation de nanostructures pour réduire la consommation électrique des composants, qui reposerait sur la modification de l’énergie d’anisotropie magnétique (MAE) par un stimulus électrique. La quasi-totalité des travaux concernent des structures solides obtenues par un empilement de couches minces. Dans le contexte de ma thèse, on a développé une approche toute en électrochimie qui apporte des éléments quantitatifs nouveaux sur l’origine des effets chimiques et magnétoélectriques (l’effet MEC) :i) Des couches magnétiques déposées sont bien définies à l’échelle atomique. ii) l’interface solide/liquide permet d’appliquer un très fort champ électrique uniforme. iii) L’environnement liquide apporte des flexibilités pour modifier la chimie de surface facilement. iv) Les propriétés magnétiques pourront être couplées à des caractérisations structurales obtenues dans les mêmes conditions. Des couches d’oxydes ont été formées et leurs structures ont été clarifiées via des calculs DFT et des determinations électrochimiques. Ensuite leurs influences sur l’anisotropie magnétique ont été mesurées et quantifiées. Des autres couches moléculaires accrochées par –C, -S et –N ont été adsorbées sur la surface. Leurs impacts sur la MAE ont présentés par la dépendence de Ks à la chimie de surface. De puis, des effets MECs liées directement au champ électrique ont été observés. Une dépendence du ΔKs/ΔU à la chimie de surface s’est manifestée. Finalement des mofications remarquables sur la MAE dans le système du Pd-Co induites par l’H2 ont été mesurées.
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Dates and versions

tel-01224224 , version 1 (04-11-2015)

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  • HAL Id : tel-01224224 , version 1

Cite

Nan Di. Electric and chemical manipulation of magnetic anisotropy of ultrathin ferromagnetic films. Physics [physics]. Ecole Polytechnique, 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01224224⟩
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