Nouvelles fonctionnalités des jonctions tunnel magnétiques par insertion de carbone dans la barrière d’oxyde de magnésium (MgO)

Des scientifiques des laboratoires de l’IPCMS (CNRS/Université de Strasbourg), l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine) et de l’Institut de Chimie de Strasbourg (CNRS/ Université de Strasbourg) ont rapporté dans leur papier « MgO tunneling spintronics across capacitively-coupled atomic clusters » l’impact du carbone sur le transport électrique (polarisé en spin) à travers des jonctions tunnel magnétiques

Les recherches :
Une jonction tunnel magnétique (JTM) est un dispositif de spintronique composé de deux couches ferromagnétiques séparées par une fine barrière isolante. Elle exploite l’effet tunnel quantique : la résistance électrique du dispositif dépend de l’orientation relative des aimantations des deux couches. Lorsque celles-ci sont parallèles, la résistance est faible ; lorsqu’elles sont antiparallèles, elle est plus élevée. Ce principe, appelé magnétorésistance tunnel (TMR), est notamment utilisé dans les mémoires magnétiques telles que la MRAM et dans les capteurs de champ magnétique.
En ce qui concerne les recherches passées et les produits industriels disponibles sur le marché, les jonctions tunnel magnétiques avec une barrière d’oxyde de magnésium (MgO) constituent LE dispositif spintronique prototypique. Pourtant, malgré cette place centrale, l’impact des propriétés réelles de la barrière de MgO sur les performances des dispositifs est resté un sujet d’intérêt plutôt niche. Les équipes de l’IPCMS et de l’IJL Les chercheurs ont passé plus de 15 ans à détecter la présence, et a évaluer l’impact sur la spintronique, de l’absence d’atomes d’oxygène dans le matériau MgO. Ces absences, appelées ‘lacunes’, peuvent apparaître seules, par deux, ou regroupées. Début 2025, ces équipes ont ainsi publié une étude dans NPJ Spintronics démontrant que les amas de lacunes d’oxygène jouent un rôle crucial dans un effet technologique clé : le couple de transfert de spin.
Parallèlement, des recherches avaient montré que l’interface entre un métal ferromagnétique et des molécules pouvait favoriser des performances spintroniques très élevées. Dans le cadre du projet ANR « Spinapse », en insérant du carbone aux interfaces des dispositifs spintroniques à base d’oxyde de magnésium (MgO), les équipes de l’IPCMS et de l’IJL ont découvert en 2017 un résultat inattendu : une jonction produisait de l’énergie électrique, alors que cette classe de dispositifs est censée être passive. Le carbone, devenu paramagnétique lorsque celui-ci comble une lacune d’oxygène, joue un rôle clé dans cet effet.
Afin de creuser cet effet, ce consortium de trois laboratoires (IPCMS, Institut Jean Lamour, Institut de Chimie de Strasbourg) a étudié, dans le cadre du projet ANR « SpinElec », l’insertion de carbone dans la barrière MgO de jonctions tunnel magnétiques. Selon leurs résultats, publiés fin décembre 2025 dans Nano Letters, l’insertion d’atomes de carbone entraîne l’apparition de points chauds de conduction à l’échelle nanoscopique, comme le montrent les expériences de microscopie à force atomique en mode conducteur.
Ces nouveaux canaux de conduction font apparaitre des effets de transport quantique jusqu’alors observes uniquement sur des dispositifs d’études fondamentales (ex : microscopie a effet tunnel), et non pas sur des composants d’électronique. Ces effets témoignent de l’impact du paramagnétisme des atomes de carbone sur le transport polarise en spin, et ainsi sur la performance spintronique de la jonction MgO. Cela ouvre la perspective intéressante d’utiliser ces composants de spintronique, qui sont déjà commercialises sous forme de mémoires MRAM, pour industrialiser les technologies quantiques.
Pour approfondir :
Le magnéto-transport entre des électrodes de FeCoB à travers une barrière de MgO dopée au carbone présente une série de propriétés spintroniques inhabituelles. Alors qu’en l’absence de dopage, la magnétorésistance tunnel (TMR) maximale est observée à ou près de V=0, ici, la TMR est absente jusqu’à ce que des pics de conductance élevés soient atteints, typiquement à plusieurs centaines de mV. En fait, la dépendance en tension de la TMR imite celle de la conductance de la jonction, en raison d’un décalage en tension de ces pics de conductance lors de la commutation de l’orientation relative de l’aimantation des électrodes. Les données confirment ainsi élégamment la prédiction théorique faite par Albert Fert il y a près de 30 ans, à savoir l’accumulation de spin lors d’un blocage de Coulomb polarisé en spin.
Ce comportement laisse entendre que les états localises du carbone sont (para)magnétiques. Afin d’examiner le rôle du champ de fuite des électrodes ferromagnétiques adjacentes, les chercheurs ont cartographie ce champ grâce à la microscopie de centres NV. Cette technique est basée sur des défauts du diamant appelés centres azote-lacune (NV). Ces défauts sont sensibles aux champs magnétiques : éclairés par un laser, ils émettent une lumière dont les propriétés varient selon l’environnement magnétique local. Elle permet ainsi de mesurer et cartographier des champs magnétiques à l’échelle nanométrique, avec une grande sensibilité, souvent à température ambiante. Grâce à cette technique, les chercheurs ont montré que le champ magnétique observé près de certains atomes de carbone ne vient pas directement de l’effet “aimant” de l’électrode en FeCoB. Cela signifie que l’origine du champ est plus complexe qu’un simple effet magnétique classique.
Le dopage au carbone conduit également à un comportement riche en bruit de transport. En particulier, les auteurs montrent que l’atteinte d’un pic de conductance peut entraîner un transport pondéré entre deux valeurs de courant extrêmes. Lorsque le pic de conductance est dépassé avec l’augmentation de la tension appliquée, la branche de courant initiale laisse place à une nouvelle branche de courant. Il s’agit du premier rapport de tels effets dans une JTM à base de MgO.
Les données expérimentales révèlent également que ces jonctions présentent un comportement mémristif. Au-delà d’un certain seuil de tension, la jonction passe à un autre régime de réponse courant-tension. Cela se traduit par un décalage rigide des pics de conductance de la jonction autour de V=0. L’amplitude de l’écart de conductance, l’amplitude du décalage et la présence de bruit électrique dans un régime mémristif correspondant à un pic de conductance dans un autre régime ont conduit les auteurs à proposer le modèle microscopique suivant pour le chemin de nanotransport de la jonction : ce chemin contient un ou plusieurs atomes de carbone formant un nanodot. Ce nanodot de transport est couplé de manière capacitive à un autre nanodot qui peut être chargé/déchargé par une tension de polarisation. À l’instar des expériences de physique mésoscopique, les auteurs proposent un cycle de charge/décharge des deux nanodots pour expliquer la réponse mémristive du dispositif. Les rôles de « transport » et de « grille » des nanodots varient lors de cycles thermiques à T>200K. En essence, ce travail décrit la plus petite grille jamais exploitée, à l’échelle de quelques atomes seulement.
Conclusion
Ce travail suscite des recherches intenses au sein du projet ciblé ADAGE du Programme de Recherche SPIN sur les critères de métrologie des JTM, tels que les rapports signal/bruit. Il ouvre également des perspectives intéressantes pour positionner la spintronique à base de jonctions tunnel de MgO sur la feuille de route des technologies quantiques, que ce soit pour l’information/la communication ou les technologies énergétiques. L’idée serait d’exploiter les propriétés de qubit de spin de ces atomes de carbone dans le cadre du couplage spintronique quantique particulier généré par la jonction tunnel magnétique elle-même.
Lire le papier
Co-auteurs et co-autrices : Mathieu Lamblin,* Victor Da Costa, Loic Joly, Bhavishya Chowrira, Léo Petitdemange, Bertrand Vileno, Romain Bernard, Benoit Gobaut, Samy Boukari, Wolfgang Weber, Michel Hehn, Daniel Lacour, and Martin Bowen*

Co-écrit avec Martin Bowen

Margaux Monvoisin

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