Dans le domaine des technologies de l'information et de la communication (ICT), le développement des mémoires non volatiles est crucial pour réduire la quantité d'énergie nécessaire au stockage et au traitement des données. La mémoire à accès aléatoire STT-MRAM est déjà utilisée comme alternative à la mémoire flash intégrée (e-flash) et envisagée pour le remplacement de la RAM statique (mémoire à accès aléatoire statique) en raison de ses hautes performances et de sa facilité d'intégration avec la technologie semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Cependant, la MRAM contient plusieurs matériaux classés comme critiques, notamment par l'Union européenne (UE), avec un risque d'approvisionnement élevé. Le platine (Pt) est utilisé en combinaison avec du cobalt (Co) pour former une structure antiferromagnétique synthétique (SAF) qui fournit la stabilité requise pour la couche de référence de la jonction tunnel magnétique (MTJ), le composant principal de la MRAM. En raison des quantités infimes de Pt présentes dans le minerai initial (quelques ppm), de l'énergie (2000 MJ/kg), des émissions de carbone (12500 kg.eq/kg) et du prix (25000 euro/kg) associés à l'extraction et le raffinement ultérieur de ce métal sont très élevés. Le but de ce travail est de réaliser des dispositifs spintroniques, sans l'utilisation de Pt et Ru critiques. Dans une première approche, nous avons analysé la possibilité d'utiliser l'anisotropie de forme perpendiculaire pour la couche de référence p-MRAM, ce qui permet l'utilisation de matériaux ferromagnétiques plus courants tels que FeCoB ou NiFe. Dans une deuxième approche, nous étudions la possibilité de substituer le Pt par du nickel (Ni) plus commun dont les besoins sont inférieurs de quelques ordres de grandeur (200 MJ/kg, 6,5 kg.eq/kg, 12 euro/kg) mais qui fournit tout de même des anisotropie magnétique (PMA) lorsqu'il est combiné avec du cobalt. La conclusion de nos études est que l'utilisation du nickel ou d'éléments ferromagnétiques plus courants peut apporter de bonnes performances et de fortes réductions en termes d'énergie, de prix ou d'émissions de carbone. Cependant, en raison des quantités infimes de métaux critiques utilisés dans la MRAM, les avantages restent faibles par rapport aux exigences de fabrication des tranches de silicium sur lesquelles ces types de dispositifs sont développés. Par conséquent, il convient de mettre davantage l'accent sur la réduction de l'impact environnemental de la fabrication des tranches de silicium elles-mêmes. Néanmoins, la présence de matériaux alternatifs à l'utilisation du Pt ou du Pd reste positive pour le développement de la technologie en cas de rupture d'approvisionnement, puisque quatre sociétés minières, l'une russe et les trois autres sud-africaines, assurent 80% de la production mondiale. Enfin, nous proposons un capteur magnétique innovant à base de vortex sensible à un champ perpendiculaire avec une grande évolutivité jusqu'aux nœuds inférieurs à 100 nm. Les mesures électriques effectuées démontrent des plages de champs linéaires jusqu'à plus de 0,2T. De plus, le diamètre ou le matériau utilisé pour la couche de détection peut contrôler la plage de champ linéaire. Ce dispositif présente notamment l'avantage de ne pas nécessiter de couche de référence aimantée dans le plan, comme dans les capteurs conventionnels à base de vortex qui utilisent souvent une couche antiferromagnétique contenant des métaux critiques tels que Ir ou Pt. Une couche de référence perpendiculaire peut être utilisée, basée sur une multicouche Co/Ni, évitant l'utilisation de PGM. Nous voyons qu'un certain champ parasite résiduel peut aider à stabiliser la polarité du vortex dans une seule direction, de sorte que l'utilisation d'une structure antiferromagnétique synthétique critique contenant du ruthénium pourrait ne pas être nécessaire non plus.

https://www.spintec.fr/phd-defense-spintronic-devices-with-reduced-content-of-platinum-and-ruthenium/