Chimie pour une spintronique 3D – C3DS

La spintronique sous-tend un marché de plusieurs milliards d'euros concernant les capteurs magnétiques, et est en émergence rapide dans l'industrie des semi-conducteurs avec les mémoires MRAM. Ces applications utilisent la magnétorésistance (une distribution d'aimantation impacte la résistance électrique) et son effet inverse, le transfert de spin (la capacité d'un courant polarisé en spin d'exciter, voire de renverser l'aimantation). La spintronique requiert un assemblage d'un minimum de deux à trois matériaux en contact, avec des épaisseurs de quelques nanomètres. Elle a été rendue possible par les progrès en techniques de dépôt en couches minces à ces échelles, dans les années 1980.

Cependant, à mesure que ces marchés deviennent matures, des limitations de fonctionnalités apparaissent. Pour les capteurs, il est compliqué de répondre à un cahier des charges de capteurs tridimensionnels (3D) intégrés, basés sur la technologie classique planaire de dépôt -lithographie. Pour les mémoires, la compétition pour l'accroissement des capacités sélectionne celles des technologies qui sont compatibles avec de nouveaux designs 3D, permettant de stocker des bits d'information selon la verticale. C'est la raison de la forte croissance des mémoires flash.

Nous proposons de développer les premières briques de base d'une spintronique 3D, sur la base de tubes simples ainsi que cœur-coquille. Les techniques top-down physique classiques n'étant pas adaptées pour les réaliser, nous avons constitué un consortium interdisciplinaire de chimistes et physiciens. Nous démontrerons chacune des deux briques de base pour les fonctions mentionnées plus haut: 1. magnéto-résistance d'un tube simple (AMR), ou de cœur-coquille (GMR, TMR), dans l'optique de capteurs. 2. le déplacement de parois magnétiques sous l'effet d'un courant polarisé, direct ou par l'intermédiaire d'une bicouche cœur-coquille avec effet Hall de spin, une possible mémoire race-track 3D étant la toile de fond.

Dans un composant ces tubes devront être verticaux dans la puce, et synthétisés dans des pores bottom-up, ou top-down comme les vias d'interconnects entre niveaux de processeurs. Cependant, dans ce projet exploratoire, nous les libérerons de leur matrice de synthèse, et étudierons des fils isolés sur une surface. La synthèse utilisera des membranes polycarbonates irradiées ainsi que de l'aluminium anodisé pour le gabarit, et les techniques d'électrochimie electroless, l'ALD, et l'électrochimie pour les matériaux ferromagnétiques, métalliques, isolants requis. Les mesures physiques combineront un contactage électrique, des mesures de magnéto-résistance et injection de courant, des microscopies magnétiques avancées.

Bien que des fils magnétiques aient été synthétisés dans des pores depuis plusieurs décennies, les études de fils individuels émergent à peine, qui plus est sur des problématiques spintroniques. Concernant les tubes, seules quelques études très récentes existent, aucune sur des problématiques spintroniques. Notre projet est donc exploratoire, à la croisée de la science des matériaux et de la spintronique. Il combine risques et impacts élevés. Un impact immédiat sera la démonstration et mise à disposition de systèmes tubulaires complexes, qui permettront d'accéder expérimentalement à de nouveaux effets magnétiques fondamentaux prédits, liés spécifiquement à la courbure et à la topologie particulière des tubes (conditions périodiques). Un second impact, à moyen terme, est d'ouvrir la porte à des ruptures technologiques en termes de composants. Une gradation des risques et impacts est proposée dans le programme de travail. Outre son objectif focalisé, un enjeu est de favoriser l'émergence d'autres actions impliquant des chimistes et physiciens de la spintronique, où les méthodes physiques ne sont pas nécessairement les plus adaptées.

Le projet est une resoumission, prenant en compte les commentaires du comité 2017.