Magnetic particle embedded in a piezoelectric matrix: analysis and applications

We take into consideration a nonlinear magnetostrictive particle embedded in a piezoelectric matrix in order to obtain (stress mediated) magneto-electric effects with applications to memory cells. The micromechanical analysis is conducted through the magneto-electro-elastic Eshelby tensor in an anisotropic environment. The results show the equilibrium orientations of magnetization versus the applied fields and the boundary conditions. In particular, a bi-stable behaviour (controlled by the applied electric field) can be obtained and it could be useful for applications to memory cells design

Ultra-low power Nano-Magneto-Electro-Mechanical-System (NMEMS) for data processing and data storage

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanentAs new information and communication technologies boom, the energy consumption of data processing and storage systems has become a major issue. The limits of state of the art systems regarding this gives rise to the need for ground-breaking ultra-low power technologies.This PhD thesis suggests an original approach of this issue, based on a bistable composite magnetoelectric element (piezoelectric/magnetostrictive) which can be controlled unequivocally, named MELRAM.The static energetic study shows that the combination of an uniaxial anisotropy and a static magnetic bias field defines two stable and perpendicular equilibrium positions for magnetization in the magnetostrictive part. The application of piezoelectric stress allows the electric control of the magnetization position.The energetic study also shows the long term (10 years) stability of the system, in a large temperature range around room temperature, with an energy barrier of 60kBT. The dynamic study, using the macrospin model, gives a response time less than 1ns. The dissipated energy during writing, of electric and magnetic origin, is estimated at 261kBT (1.1aJ), that is to say four orders of magnitude below the state of the art.Several reading strategies using spin valves and magnetic tunnel junction are proposed and commented. First realization of nanometer-sized magnetostrictive elements are presented as well as an integrated polarization solution, using permanent magnet

Nano-Système Magnéto-Électro-Mécanique (NMEMS) ultra-basse consommation pour le traitement et le stockage de l'information

As new information and communication technologies boom, the energy consumption of data processing and storage systems has become a major issue. The limits of state of the art systems regarding this gives rise to the need for ground-breaking ultra-low power technologies.This PhD thesis suggests an original approach of this issue, based on a bistable composite magnetoelectric element (piezoelectric/magnetostrictive) which can be controlled unequivocally, named MELRAM.The static energetic study shows that the combination of an uniaxial anisotropy and a static magnetic bias field defines two stable and perpendicular equilibrium positions for magnetization in the magnetostrictive part. The application of piezoelectric stress allows the electric control of the magnetization position.The energetic study also shows the long term (10 years) stability of the system, in a large temperature range around room temperature, with an energy barrier of 60kBT. The dynamic study, using the macrospin model, gives a response time less than 1ns. The dissipated energy during writing, of electric and magnetic origin, is estimated at 261kBT (1.1aJ), that is to say four orders of magnitude below the state of the art.Several reading strategies using spin valves and magnetic tunnel junction are proposed and commented. First realization of nanometer-sized magnetostrictive elements are presented as well as an integrated polarization solution, using permanent magnetsAvec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanen

Nano-Système Magnéto-Électro-Mécanique (NMEMS) ultra-basse consommation pour le traitement et le stockage de l'information

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanentAs new information and communication technologies boom, the energy consumption of data processing and storage systems has become a major issue. The limits of state of the art systems regarding this gives rise to the need for ground-breaking ultra-low power technologies.This PhD thesis suggests an original approach of this issue, based on a bistable composite magnetoelectric element (piezoelectric/magnetostrictive) which can be controlled unequivocally, named MELRAM.The static energetic study shows that the combination of an uniaxial anisotropy and a static magnetic bias field defines two stable and perpendicular equilibrium positions for magnetization in the magnetostrictive part. The application of piezoelectric stress allows the electric control of the magnetization position.The energetic study also shows the long term (10 years) stability of the system, in a large temperature range around room temperature, with an energy barrier of 60kBT. The dynamic study, using the macrospin model, gives a response time less than 1ns. The dissipated energy during writing, of electric and magnetic origin, is estimated at 261kBT (1.1aJ), that is to say four orders of magnitude below the state of the art.Several reading strategies using spin valves and magnetic tunnel junction are proposed and commented. First realization of nanometer-sized magnetostrictive elements are presented as well as an integrated polarization solution, using permanent magnetsVILLENEUVE D'ASCQ-ECLI (590092307) / SudocSudocFranceF

Setting up an IoT lecture for Centrale Lille: A LoRa(WAN)

As part of the education reform of the École Centrale de Lille, a new lecture for the “Internet of Things” has been created. Entitled “Mobile networks, IoT and UHS (Ultra High Speed) communications” and taught in English it takes place in the “Advanced communication networks” teaching unit (UE) for the third year students of the École Centrale de Lille engineering curriculum as well as for master students enrolled in Centrale Lille. In this lecture, students acquire knowledge about cellular networks, new LPWAN (Low Power Wide Area Network) technologies such as LoRa™ or Sigfox™ and UHS communications. The labwork focuses on the LoRa(WAN) protocol, where students create their first and complete IoT application, from data transmission to data visualization using popular applications/software. The lab-work is based on a “problem analysis/problem resolution” (PAPR) approach where students first need to analyze what they observe and finally need to propose solutions to avoid encountered problems based on knowledge acquired during the lecture

Combined nanomechanical and nanomagnetic analysis of magnetoelectric memories

Magneto-electro-elastic and multiferroic materials can be combined in appealing nanostructures characterized by the coexistence and coupling of electric, magnetic, and mechanical phases with potential applications in novel multifunctional devices. Here, we derive a theory for nonvolatile room-temperature memory elements composed of magnetostrictive nanoparticles embedded in a piezoelectric matrix: two stable orthogonal magnetization states are obtained by the competition of anisotropy and external magnetic polarization. The innovative nontoggle switching between the states is modeled by a thorough combination of the nanomechanical Eshelby approach with the nanomagnetic Landau-Lifshitz-Gilbert formalism, yielding a robust picture of the dynamical behavior and allowing the improvement of the energetic efficiency

Stochastic magnetization dynamics in single domain particles

Magnetic particles are largely utilized in several applications ranging from magnetorheological fluids to bioscience and from nanothechnology to memories or logic devices. The behavior of each single particle at finite temperature (under thermal stochastic fluctuations) plays a central role in determining the response of the whole physical system taken into consideration. Here, the magnetization evolution is studied through the Landau-Lifshitz-Gilbert formalism and the non-equilibrium statistical mechanics is introduced with the Langevin and Fokker-Planck methodologies. As result of the combination of such techniques we analyse the stochastic magnetization dynamics and we numerically determine the convergence time, measuring the velocity of attainment of thermodynamic equilibrium, as function of the system temperature

Mechanically driven domain wall movement in magnetoelastic nanomagnets

Magnetic domain walls are fundamental objects arising in ferromagnetic materials, largely investigated both through micromagnetic simulations and experiments. While current- and field-based techniques for inducing domain wall propagation have been widely studied for fundamental understanding and application-oriented purposes, the possibility to manipulate domain walls using mechanical stress in magnetoelastic materials has only recently drawn interest. Here, a complete analytical model describing stress-induced transverse domain wall movement in ferromagnetic nanostripe with variable cross-section is presented. This approach yields a nonlinear integro-differential equation describing the magnetization field. Its numerical implementation, based on the nonlinear relaxation method, demonstrates the possibility to precisely control the position of a domain wall through mechanical action

Manipulation mécanique de paroi de domaine magnétique dans une couche magnétoélastique

Le mouvement de paroi de domaine est typiquement induit par des champs magnétiques externes ou des courants polarisés en spin. Cependant, des préoccupations concernant la consommation d'énergie de ces systèmes motive la recherche d'alternatives. Il en résulte un intérêt grandissant pour les différents couplages permettant d'utiliser des champs électriques plutôt que des courants pour déclencher le mouvement de paroi de domaine. Parmi les solutions potentielles, les matériaux magnétoélectriques passant par les contraintes mécaniques paraissent très prometteurs. Puisqu'une contrainte uniforme seule ne peut pas induire de mouvement unidirectionnel, des dispositifs et structures relativement complexes ont été proposées, comprenant des contraintes non-uniformes, ou des 'pinnings' sur des parois de domaine ferroelectriques. Dans ce contexte, l'idée de briser la symétrie entre les états stables d'un nanoaimant autorise une implémentation plus simple du couplage mécanique. Ceci peut être obtenu grâce à un faible champ magnétique transverse. Il a été montré expérimentalement que l'application subséquente d'une contrainte mécanique uniforme - par exemple à travers un substrat piézoélectrique - est alors capable de basculer l'aimantation d'une particule ferromagnétique. Dans un système à deux domaines, la contrainte change l'énergie volumique des deux domaines, et ainsi provoque l'agrandissement de l'un par rapport à l'autre, ce qui cause le mouvement de la paroi de domaine dans une direction attendue (1,2). Ici, nous présentons comment ce phénomène peut être utilisé pour le contrôle de la position ou de la vitesse d'une paroi de domaine en fonction de la géométrie, et nous décrivons les caractéristiques particulières du mouvement de paroi de domaine induit par contrainte mécanique. Dans nos simulations basées sur une procédure numérique ad-hoc, un nanoruban magnétoélastique présentant deux domaines est couplé à un substrat piézoélectrique PMN-PT de coupe . Ce dernier est caractérisé par un tenseur de contraintes avec des 'composantes' compressives et 'tensiles' orthogonales. Le design du profil de section du nanoruban permet de façonner la réponse statique et dynamique dans une certaine mesure. Les configurations avec des minima locaux peuvent favoriser le confinement de la paroi de domaine, et par exemple, une géométrie en forme de sablier fournit une relation directe entre contrainte mécanique et position de paroi de domaine. Dans un nanoruban avec une section constante, un mouvement en régime permanent peut être atteint, avec une vitesse qui dépend également de la contrainte appliquée. Du point de vue de la dynamique, le mouvement induit par les contraintes se distingue des régimes connus de mouvement du fait que la forme de paroi de domaine associée au mouvement présente une excursion notable de l'aimanation hors du plan. Cette excursion s'évanouit au fur et à mesure que la paroi approche de la position d'équilibre dans un nanoruban à section parabolique, ou demeure inchangée durant le régime permanent dans un nanoruban à section constante. L'ampleur de la composante hors plan dépend de la valeur de la contrainte compressive qui crée une anisotropie planaire, alors que la composante 'tensile' est associée à une anisotropie axiale. Du fait des paramètres du substrat piézoélectrique, l'application d'un champ électrique négatif plutôt que positif ne donne pas la même dynamique. En effet, l'équilibre entre les actions compressives et 'tensiles' n'est pas le même, et cela est illustré par le comportement hors plan ainsi que la relation en le champ appliqué et la vitesse de la paroi. Alors qu'on obtient des vitesses comparables à celles des autres techniques, cette approche est considérablement plus efficace en termes de consommation d'énergie. Typiquement, la dissipation est au moins d'un ou deux ordres de grandeur plus faible. 1) T. Mathurin et al, Appl. Phys. Lett. 108, 082401 (2016). 2) T. Mathurin et al, Eur. Phys. J. B 89, 169 (2016)

Highly Sensitive Surface Acoustic Wave Magnetic Field Sensor Using Multilayered TbCo₂/FeCo Thin Film

Over the last decades, the use of Surface Acoustic Waves (SAW) has emerged as a promising technology in many applications such as filters, signal processing but also sensors. We report the fabrication and the characterization of a SAW delay line magnetic field sensor using uniaxial multi-layered 14×[TbCo2(3.7nm)/FeCo(4nm)] nanostructured thin film deposited on Y36° Lithium Niobate (Figure 1a). The sensor shows an interesting dependency to a tunable bias magnetic field with different orientations relative to the easy axis. The obtained results are well explained using an equivalent piezo-magnetic model described in a previous work