Brevet FR3101156A1 — publié le 20210326

TITRE : Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement Un aspect de l’invention concerne un empilement magnétorésistif (1) comprenant : Une couche de référence (2) comprenant : Une couche magnétique (21), Une couche antiferromagnétique (24) en couplage d’échange avec la couche magnétique (21), Une couche magnétique (22) sensiblement de même aimantation que la couche magnétique (21), Une couche espaceur (23) entre les couches magnétiques (21, 22) d’épaisseur permettant un couplage antiferromagnétique entre les couches magnétiques (21, 22) d’une première intensité de couplage, Une couche libre (3) de coercivité inférieure à 10 microTesla, la couche libre (3) comprenant : Une couche magnétique (32), Une couche antiferromagnétique (34) en couplage d’échange avec la couche magnétique (32), Une couche magnétique (31) sensiblement de même aimantation que la couche magnétique (32), Une couche espaceur (33) entre les couches magnétiques (31, 32) d’épaisseur permettant un couplage antiferromagnétique entre les couches magnétiques d’une deuxième intensité de couplage inférieure à la première intensité de couplage, Une troisième couche espaceur (4) séparant la couche de référence (2) et la couche libre (3). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2 Empilement magnétorésistif sans champ rayonné, capteur et système de cartographie magnétique comprenant un tel empilement DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION Le domaine technique de l’invention est celui des empilements magnétorésistifs. La présente invention concerne un dispositif magnétorésistif présentant un empilement de couches magnétiques et non magnétiques permettant d’avoir une grande sensibilité indépendante de la taille du dispositif et de ne pas avoir de champ magnétique rayonné. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION Les capteurs magnétorésistifs font l’objet de nombreux développements et sont actuellement largement utilisés pour la détection de courant et de champ. Un capteur magnétorésistif voit sa résistance changer en fonction par exemple du champ magnétique auquel il est soumis. Il en existe plusieurs types, parmi lesquels on trouve les magnétorésistance géantes (« GMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Giant Magnetoresistance »), les magnétorésistance tunnel (« TMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Tunnel Magnetoresistance ») et les magnétorésistance anisotropes (« AMR » selon la dénomination anglo-saxonne « Anisotropic Magnetoresistance »). Les GMR et TMR fonctionnent par électronique de spin. La résistance de la GMR ou de la TMR est liée à la direction angulaire de l’aimantation d’une ou plusieurs de ses couches. Ainsi, lorsqu’un champ magnétique extérieur est appliqué à de tels capteurs, les GMR et les TMR voient la direction d’aimantation d’une ou de plusieurs de leurs couches changer, ce qui implique une augmentation ou une diminution de la résistance du capteur. Une configuration courante de ce type de capteur est appelée la vanne de spin, dans laquelle une couche dite « de référence » a une aimantation fixée dont la direction d’aimantation détermine la direction de sensibilité du capteur et une couche dite « libre » est capable d’orienter son aimantation selon un champ extérieur. Un espaceur non-magnétique sépare la couche libre de la couche de référence. Dans une vanne de spin, la résistance est liée à la direction angulaire de l’aimantation de sa couche libre par rapport à la direction d’aimantation de sa couche de référence. La couche de référence est rendue « dure » par une couche antiferromagnétique de la couche de référence. La « dureté » d’une couche magnétique se définit par rapport à la valeur du champ magnétique coercitif nécessaire au renversement de l’aimantation de la couche. Une couche magnétique sera donc réputée plus « dure » qu’une autre si son champ coercitif est plus fort. Ainsi, dans une vanne de spin, la couche de référence est une couche « dure » tandis que la couche libre est une couche « douce ». Le champ coercitif d’un matériau ferromagnétique correspond à l’intensité de champ magnétique à appliquer au matériau ayant atteint son aimantation à saturation pour obtenir le renversement de son aimantation. Dans le cas des vannes de spin, la couche de référence présente un champ coercitif plus important que le champ coercitif de la couche libre afin que la direction d’aimantation de la couche de référence ne varie pas lorsque la direction d’aimantation de la couche libre est modifiée. Un bon aperçu des évolutions récentes dans le domaine du nanomagnétisme et notamment des capteurs magnétorésistifs peut être trouvé dans « Nanomagnetism, Applications and perspectives » (C.Fermon and M. Van der Voorde, Wiley, 2017). Afin d’avoir une réponse linéaire dans une vanne de spin, plusieurs améliorations ont été proposées, en particulier le couplage de la couche libre à une deuxième couche de référence, en utilisant un couplage Tantale (Ta) ou Ruthénium (Ru), même dans des empilements contenant une pluralité de couches de référence et de couches libres. Ces améliorations sont par exemple décrites dans les documents WO 2015/105830 A1, WO 2015/105836 A1 ou encore WO 2016/196157 A1. Une majorité des empilements faisant l’objet de ces travaux comprennent une couche libre faite de CoFe/NiFe pour les GMR et de CoFeB/NiFe pour les TMR. L’inconvénient de cette approche est d’avoir un moment magnétique de la couche libre assez important. Par conséquent, la sensibilité du dispositif dépend de la taille de l’empilement, c’est-à-dire que la sensibilité décroît quand une dimension latérale du dispositif est réduite à cause du champ dipolaire interne. Un autre inconvénient de cette approche est d’avoir un champ rayonné par le capteur, ce qui peut induire un couplage à d’autres dispositifs capteurs ou à d’autres objets et donc agir sur les résultats de dispositif capteurs voisins et/ou impliquer un bruit dans la propre détection du capteur. Il existe donc un besoin d’avoir un empilement magnétorésistif sensible aux champs magnétiques extérieurs ne créant pas de champ magnétique rayonné et ayant une sensibilité indépendante de sa taille. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. La Figure 1 montre une représentation schématique d’un empilement magnétique selon l’invention. La figure 2 montre une courbe représentant le couplage RKKY de deux couches Co90Fe10 séparées par une couche espaceur en ruthénium en fonction de l’épaisseur de la couche espaceur. La Figure 3a montre une représentation schématique d’un empilement magnétique de type GMR selon un mode de réalisation de l’invention. La Figure 3b montre une représentation schématique de la réponse d’un empilement magnétique de type GMR selon un mode de réalisation de l’invention en fonction du champ magnétique extérieur appliqué. La Figure 4 montre une représentation schématique d’un empilement magnétique de type TMR selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 5 montre un exemple de cycle d’hystérésis magnétique 50 correspondant à l’aimantation induite par l’application d’un champ magnétique dans un matériau magnétique. La figure 6 montre un système de cartographie 61 selon l’invention. La figure 7 montre deux configurations possibles de capteur magnétique 611 scannant la surface des échantillons. La figure 8a montre une représentation schématique de différentes distances échantillon-capteur et du signal détecté La figure 8b montre une représentation schématique de différentes taille de capteur et du signal détecté La figure 9 montre le schéma électrique de la mesure de champ de fuite de l’échantillon soumis à un champ magnétique par le capteur du système de cartographie magnétique selon l’invention. Empilement magnétorésistif (1) comprenant au moins : Une couche de référence (2) comprenant au moins : Une première couche magnétique (21), Une première couche antiferromagnétique (24) en couplage d’échange avec la première couche magnétique (21), Une deuxième couche magnétique (22) sensiblement de même aimantation que la première couche magnétique (21), Une première couche non-magnétique espaceur (23) entre la première couche magnétique (21) et la deuxième couche magnétique (22) d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la première couche magnétique (21) et la deuxième couche magnétique (22), ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une première intensité de couplage, Une couche libre (3) ayant une coercivité inférieure à 10 microTesla, la couche libre (3) comprenant au moins : Une troisième couche magnétique (32), Une deuxième couche antiferromagnétique (34) en couplage d’échange avec la troisième couche magnétique (32), Une quatrième couche magnétique (31) sensiblement de même aimantation que la troisième couche magnétique (32), Une deuxième couche non-magnétique espaceur (33) entre la troisième couche magnétique (32) et la quatrième couche magnétique (31) d’épaisseur permettant un couplage RKKY antiferromagnétique entre la troisième couche magnétique (32) et la quatrième couche magnétique (31), ledit couplage RKKY antiferromagnétique ayant une deuxième intensité de couplage inférieure à la première intensité de couplage, Une troisième couche non magnétique espaceur (4) séparant la couche de référence (2) et la couche libre (3). Empilement magnétorésistif (1) selon la revendication précédente caractérisé en ce que l’empilement magnétorésistif (1) est une magnétorésistance géante. Empilement magnétorésistif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la troisième couche non magnétique espaceur (4) est une barrière tunnel et en ce que l’empilement magnétorésistif (1) est une magnétorésistance tunnel. Capteur magnétorésistif (611) comprenant au moins un empilement magnétorésistif (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes. Capteur magnétorésistif (611) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comprend un support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701), en ce qu’il comprend trois, respectivement quatre empilements magnétorésistifs (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 et en ce que les quatre empilements magnétorésistifs (1) sont disposés chacun sur une face différente du support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701). Capteur magnétorésistif (611) selon la revendication précédente caractérisé en ce qu’il comprend un bras de levier flexible (702), ledit bras de levier comprenant en son extrémité le support de forme tétraédrique, respectivement pyramidale (701) comprenant lesdits quatre empilements magnétorésistifs (1). Système de cartographie magnétique (61) d’au moins un échantillon magnétique (60) caractérisé en ce qu’il comprend au moins capteur magnétorésistif (611) selon l’une quelconque des revendications 4 à 6 pour détecter les champs de fuite émis par l’échantillon magnétique (60), un système de balayage (612) et une première source de courant (910) configurée pour créer un premier champ magnétique (901) appliqué à l’échantillon magnétique (60). Système de cartographie magnétique (61) selon la revendication précédente caractérisé en ce que le premier champ magnétique (901) créé par la première source de courant est un champ magnétique statique (901), en ce que le système de cartographie magnétique (61) comprend une deuxième source de courant (911) configurée pour créer un champ magnétique dynamique (902) appliqué à l’échantillon magnétique (60). Système de cartographie magnétique (61) selon la revendication précédente caractérisé en ce que : le champ magnétique dynamique est créé à une première fréquence (f1), le capteur magnétorésistif (611) est alimenté à une deuxième fréquence (f2), chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) comprend : un premier signal continu émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique statique (901) et un deuxième signal alternatif émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique dynamique (902), chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) est démodulé à la deuxième fréquence (f2) pour retrouver le premier signal continu émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique statique (901) et chaque signal capté par le capteur magnétorésistif (611) est démodulé à la fréquence (f2-f1) correspondant à la soustraction de la première fréquence (f1) à la deuxième fréquence (f2) pour retrouver le deuxième signal alternatif émis par l’échantillon (60) soumis au champ magnétique dynamique (902).