Magnetization dynamics in spin torque microwave nano-oscillators

This thesis addresses a current topic of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. In magnetic nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also for integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for future telecommunications. However, before integration, major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The first type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We showed that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a result of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental results. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes

Magnetization dynamics in spin torque microwave nano-oscillators

This thesis addresses a current topic of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. In magnetic nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also for integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for future telecommunications. However, before integration, major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The first type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We showed that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a result of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental results. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes

Dynamique de l'aimantation de nano-oscillateurs micro-ondes à transfert de spin

Cette thèse s inscrit dans la thématique de l électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l étude de la dynamique de l aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte agilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d oscillateur complémentaires. Nous nous sommes d abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d induire une précession de l aimantation de forte amplitude autour de son maximum d énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu un protocole d analyse original pour étudier la pureté spectrale d oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d observer certains des mécanismes d instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l échelle de la dizaine de nanosecondes.This thesis addresses a current topie of spinelectronics which are steady-state oscillations of the magnetization induced by spin transfer torque. ln magneticl nanostructures, the large oscillation amplitude is of interest since it allows probing of the magnetization dynamics in the non-linear regime but also fo~ integrated microwave components. Here the small size of the devices and the relatively large frequency tuning range are promising properties for futurel telecommunications. However, before integration major issues need to be addressed such as increasing the output power and understanding the spectral purity. Therefore, we studied experimentally the dynamic behaviour of two types of spin transfer oscillators. The fll"st type focuses on a spin valve structure with a perpendicularly magnetized polarizing layer. We show that large amplitude magnetization oscillations around its energy maximum can be established as a resuh of the perpendicular polarizer. With the help of micromagnetic simulations, we were able to interpret qualitatively the experimental resuhs. The second type of structures are MgO based magnetic tunnel junction oscillators of large output power. We developed an experimental set-up to follow the magnetization dynamics in the time domain as well as a data processing protocol to analyze the spectral purity. We identified different transient processes limiting the coherence of the magnetic oscillations, in particular frequency fluctuations on tens of nanoseconds time-scale.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Electron radiation-induced material diffusion and nanocrystallization in nanostructured amorphous CoFeB thin film

Transmission electron microscopy (TEM) is widely used for physical characterization of CoFeB based magnetic tunneling junctions (MTJ) with its atomic-scale resolution. However, highly energetic electron radiation during TEM analysis may cause phase and microstructure modification of CoFeB and its associated MTJ layers. It is the intention of this work to address the issues of the electron-beam sensitivity of CoFeB material. With in-situ TEM, we investigated the electron beam radiation-induced material diffusion and the nanocrystallization behaviors in nanostructured amorphous CowFexByOz/Co60Fe20B20/SiO2 thin films. It was found that electron radiation with different electron dose led to massive diffusion of Co, Fe, B and O atoms across the whole thin film layers, which directly resulted in the modification of the phase and composition of the thin film layers, i.e. the oxidation of Co, Fe, B with O diffusion and the formation of pure Si phase from SiO2. Two stages of material diffusion were observed. While Stage-I material diffusion proceeded with a high diffusion speed, Stage-II had a relatively low diffusion rate accompanying with the nanocrystallization at the bottom of the CoFeB layer. A detailed kinetic study by in-situ TEM revealed the electron-beam radiation induced massive diffusion was a non-thermal process, and the underlying driving force arose from radiation-enhanced diffusion (RED) effects. Nanocrystallization during Stage-II electron-radiation experiment showed unique phase transformation phenomena, repeated nanocrystallization, amorphization, and nanocrystallization processes in the sequence before a stable grain growth could be achieved. A detailed TEM analysis revealed that RED-enhanced B diffusion was responsible for such unique repeated phase transformation processes. B diffusion and the associated structure distortion and the local short-range re-ordering may also account for the phase transformation from fcc-CoxFe23-xB6 to B-rich orthorhombic- CoxFe3-xB phase

Amplitude and phase noise of magnetic tunnel junction oscillators

International audienceThe microwave emission linewidth of spin transfer torque nano-oscillators is closely related to their phase and amplitude noise that can be extracted from the magnetoresistive voltage signal V(t) using single shot time domain techniques. Here we report on phase and amplitude noise studies for MgO based magnetic tunnel junction oscillators. The analysis of the power spectral densities allows one to separate the linear and nonlinear contributions to the phase noise, the nonlinear contribution being due to the coupling between phase and amplitude. The coupling strength as well as the amplitude relaxation rate can be directly extracted