Depuis plusieurs années, la communauté scientifique s’intéresse à des nano-objets particuliers, les skyrmions magnétiques. Leurs propriétés sont en effet intrigantes, car ils se comportent par exemple comme des particules mais sans en être, et sont capables de se déplacer à grande vitesse dans des matériaux magnétiques.

Leurs caractéristiques en font actuellement de bons candidats pour le développement de dispositifs de stockage et de traitement de l’information peu consommateurs en énergie.

Au sein du Laboratoire Spintronique et technologie des composants (Spintec) à Grenoble, une équipe a exploré l’effet d’une tension de grille en vue de changer dynamiquement la direction du mouvement d’un skyrmion dans le cadre du projet ANR ADMIS. Leurs efforts portent plus particulièrement sur l’étude de l’interaction Dzyaloshinskii-Moriya, qui influence la stabilité des skyrmions magnétiques.

Une machine de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron est utilisée pour faire des films minces ou ultra-minces, de dimension sub-nanométrique. Pour réaliser des capteurs, notamment à base de skyrmions magnétiques, quelques couches (jusqu’à plus d’une vingtaine) sont empilées, dont l’épaisseur varie du dixième à quelques dizaines de nanomètres.

Des substrats sont introduits dans la machine, cette étape s’effectuant via une cassette de chargement depuis une salle blanche, afin d’éviter leur contamination et celle de la machine par de la poussière ou des particules. La cassette de chargement peut contenir jusqu’à 25 substrats de silicium de 200 mm de diamètre. Un bras robotisé prend les substrats un à un pour les emmener via le module de transfert sous chacune des cibles utilisées pour le dépôt des couches minces successives.

Le module de transfert permet le changement des cibles dans un des modules de transfert de la machine de dépôt auxquels il est relié (à gauche et à droite) et au sas d’introduction (à l’arrière). Selon le programme enregistré, un bras robotisé transfère ces substrats via cette chambre vers l’un ou l’autre des différents modules de dépôt.

Un module de dépôt peut contenir jusqu’à 12 cibles de matériaux différents (métaux, alliages, oxydes) et est, comme le module de transfert, sous vide secondaire poussé (< 10^-8 millibar).

Pour changer les cibles (usure, nouvelles études), le module est isolé du reste de la machine, puis est remis à la pression atmosphérique avec de l’azote pour éviter l'apport d'humidité de l'air lors de son ouverture. Les cibles sont déconnectées des cathodes et changées si besoin.

La couleur du substrat observée à travers les hublots de contrôle d’une chambre de transfert dépend des matériaux qui composent les films minces ou ultra-minces déposés sur le substrat. L’automatisation de la machine de dépôt est un atout important pour les recherches en spintronique, car elle offre la possibilité de préparer plus rapidement des échantillons de grande qualité (reproductibilité, uniformité) en plus grande quantité.

Chaque poussière, souvent micrométrique, peut devenir une source de perturbation et d’erreur dans un échantillon à l'échelle du nanomètre. C’est pourquoi, malgré toutes les précautions qui sont prises durant les étapes précédentes, il est nécessaire d’effectuer un contrôle visuel du substrat après le dépôt de films.

Les capteurs magnétiques à skyrmions obtenus font ensuite l’objet de différentes expérimentations pour les caractériser, certaines fabriquées au laboratoire pour les besoins du projet

C’est le cas de ces bobines magnétiques, servant à caractériser des capteurs magnétiques à skyrmions. Un champ magnétique tridimensionnel se crée en fonction du courant circulant dans chacune des trois bobines. Une caméra permet d’observer l’échantillon placé au centre, sur lequel sont placées des pointes, afin de prendre des contacts électriques pour les mesures.

Un banc de mesure amplifie et traite le signal puis l’affiche sur un ordinateur. La résistance du capteur est mesurée pour analyser sa réponse au champ magnétique et/ou à la tension qui sont appliqués. Des mesures sont également faites pour caractériser le bruit du capteur, qui limite le champ magnétique détectable. Dans ce cas, un champ magnétique dont la valeur est connue est maintenu fixe, puis le bruit du capteur est mesuré pour cette valeur.

Sur cet autre banc de mesure, développé en collaboration avec le Laboratoire nano-magnétisme et oxydes (LNO) du CEA-SPEC à Saclay, on mesure des propriétés de magnéto-transport qui permettent de détailler la réponse sous champ magnétique des capteurs. Ce champ magnétique est perpendiculaire au plan de l’échantillon. Des mesures de la réponse électrique sous champ magnétique variable (magnéto-transport) ainsi que des mesures du bruit pour un champ magnétique donné, sont réalisées. Le spectre de bruit est observé sur un écran d’ordinateur puis analysé.

L’échantillon contient plusieurs capteurs à skyrmions ultrasensibles (microstructurés par lithographie optique) et est placé au centre d’une bobine enroulée autour d’un support réalisé par impression 3D (en violet). Elle permet de générer précisément des champs magnétiques faibles, inférieurs au milliTesla. Des fils sont connectés à l’échantillon pour obtenir des contacts électriques et récupérer les mesures.

L’observation et la manipulation de skyrmions magnétiques peut également se faire par microscopie à effet Kerr magnéto-optique.

La caméra permet l’observation directe des skyrmions pendant qu’une tension et un champ magnétique perpendiculaire sont appliqués. Le support peut être déplacer et permet d’étudier plus particulièrement certaines zones de l’échantillon. Sur l’écran d’ordinateur apparaissent des zones gravées en forme de croix, contenant les skyrmions, et en "V" inversé, pour l’application de la tension qui sert à modifier leur comportement. La couleur violette de l’échantillon dépend des matériaux qui constituent le film magnétique déposé à la surface du substrat.

Ces études ont permis d’améliorer nos connaissances au sujet des skyrmions magnétiques et d’aboutir au développement de prototypes de capteurs destinés à équiper à terme, des satellites envoyés dans l’espace afin de détecter et cartographier des champs magnétiques, liés au champ terrestre ou bien aux particules émises par le soleil.

Les puces sont découpées sur un substrat de silicium de 10 cm de diamètre pour la fabrication de magnétomètres ultrasensibles. Elles comportent chacune deux capteurs placés dans l’entrefer des concentrateurs de flux magnétique millimétriques, c'est-à-dire l'espace entre les deux parties du concentrateur, où est canalisé le flux du champ magnétique, afin de détecter de très faibles champs magnétiques proches du picoTesla. Les zones plus foncées sont des zones de tests, réalisées pour contrôler que la micro-fabrication s’est bien effectuée

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Découvrez le reportage photos complet "Étude de l’effet d’une tension de grille sur la stabilité de skyrmions magnétiques " sur la médiathèque du CNRS.

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Crédit photos : © Christian MOREL / Spintec / CNRS Images

Texte : Hélène Bea / Spintec ; CNRS Alpes

Ces recherches ont été financées en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet ANR ADMIS AAPG2019. Ce reportage a été réalisé et financé dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique et Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2018-2019 (SAPS-CSTI-JCJC 18-19 et PRC AAPG 18-19).