Elaboration et caracterisation de nanostructures magnetiques

La théorie du micromagnétisme

La théorie du micromagnétisme a été conçue pour décrire la distribution de l’aimantation dans les milieux ferromagnétiques et ferrimagnétiques continus. Elle permet de décrire les configurations magnétiques à l’échelle des parois et des domaines magnétiques.
Cette théorie passe sous silence les détails atomiques de l’origine de l’ordre magnétique. C’est pourquoi des variables continues sont utilisées pour décrire des grandeurs thermodynamiques telles que l’aimantation, les champs internes ou l’énergie du système, même si leur origine se trouve au niveau atomique. Son applicabilité est donc limitée à des systèmes pour lesquels les grandeurs thermodynamiques varient lentement avec la position [Brown_63].
Cette théorie permet la détermination des états d’équilibre d’un système ferromagnétique. Les états d’équilibre sont obtenus par la minimisation de l’énergie libre du système. Afin de réaliser cette minimisation d’énergie des calculs numériques sont nécessaires.

Domaines magnétiques et parois dans des couches minces

Domaines magnétiques : L’hypothèse de l’existence des domaines au sein des matériaux ferromagnétiques, a été émise par Weiss [Weiss_07] et les premières observations des domaines ont été réalisées dans des cristaux de fer [Kittel].
La présence des domaines a été mise en évidence dans des systèmes micromagnétiques comme par exemple : des matériaux à l’état massif, des couches minces uniques [Hubert_69], [Miltat_94], [Bochi_95], [Castro_00], des multicouches [Belliard_94] ou des objets nanostructurés [Hubert_98] . La formation des domaines magnétiques n’est pas la même pour touts les matériaux magnétiques. Leur apparition dépend de la forme et des dimensions des échantillons, ainsi que de la valeur de l’anisotropie. En général on peut dire que l’énergie démagnétisante et les discontinuités dans la distribution de l’aimantation à l’équilibre sont responsables de l’apparition des domaines magnétiques.
Afin d’illustrer la dépendance entre la configuration de l’aimantation et la taille du système, nous présentons un diagramme de phase obtenu suite à des calculs micromagnétiques sur des fils de Co avec une largeur w, une épaisseur t, et une anisotropie perpendiculaire au fil, dans le plan [Prejbeanu_01].
Parois des domaines : Parois symétriques En 1932 Bloch [Bloch_32] a analysé la distribution spatiale de l’aimantation entre deux domaines magnétiques. Il a observé qu’au passage entre deux domaines magnétiques, l’aimantation tourne beaucoup plus rapidement qu’à l’intérieur des domaines, dans une région nommée paroi de domaine.

D’autres types d’inhomogénéités de l’aimantation : l’état vortex

Parmi les inhomogénéités de l’aimantation, mis à part les parois de domaines qui ont été discutées jusqu’à présent, on trouve le vortex qui sera analysé dans cette section.
L’état vortex a été mis en évidence pour la première fois dans des structures triangulaires [Tonomura_87]. Ces expériences ont été suivies par l’introduction et le contrôle d’un vortex dans une couche mince [Gillies_96] et par la visualisation d’un vortex dans des plots circulaires [Shinjo_00].
Dans une structure de type vortex l’aimantation tourne à l’intérieur du système de manière à fermer le flux magnétique et au centre elle sort hors du plan. Nous allons passer en revue les causes de l’apparition du vortex dans des plots circulaires et quelques unes de ses caractéristiques comme par exemple : la dépendance de la largeur du vortex en fonction de la taille du plot.
La formation d’un vortex dans un plot sans anisotropie magnétocristalline est le résultat de la compétition entre l’énergie d’échange et l’énergie magnétostatique. La minimisation de l’énergie d’échange implique une réorientation graduelle de l’aimantation d’une direction dans le plan de l’échantillon, à une direction hors du plan. Une telle variation ente dans l’espace, induit l’apparition de charges magnétiques de surface significatives sur le plan inférieur et supérieur du plot. Ces charges augmentent considérablement la contribution magnétostatique à l’énergie totale du plot. Ainsi, pour de raisons magnétostatiques, le cœur du vortex doit être très étroit alors que l’interaction d’échange veut empêcher une variation brutale de l’aimantation sur une distance courte.

Les modes de retournement de l’aimantation

Le renversement de l’aimantation est un phénomène physique caractérisé par le franchissement d’une ou plusieurs barrières d’énergie liées aux propriétés magnétiques du matériau qui sont : l’aimantation à la saturation, l’énergie d’anisotropie magnétocristalline et l’énergie d’échange. En fonction des dimensions de l’échantillon, du type du champ appliqué et de sa direction il existe plusieurs types de renversement de l’aimantation : le renversement uniforme, le renversement non- uniforme, le renversement par nucléation et propagation des parois.
Le cas du retournement uniforme : Le modèle de rotation cohérente de l’aimantation d’une particule ferromagnétique a été proposé en 1948 par Stoner et Wohlfarth [Stoner-Wohlfarth_48] [Néel_47]. Il suppose que la forme de la particule est ellipsoïdale de grand axe c et que l’aimantation reste uniforme, générant un champ démagnétisant homogène. Leur modèle permet de calculer le champ de retournement de l’aimantation en fonction de l’inclinaison du champ par rapport à l’axe c. Examinons d’abord le cas où le champ externe est appliqué parallèle à l’axe c. Sous l’effet d’un champ inverse, l’aimantation reste parallèle à l’axe c, tant que l’énergie libre de la particule est minimale. Lorsque le champ appliqué atteint une valeur critique Hc, suffisamment forte pour estomper la barrière d’énergie, l’aimantation se renverse.
Le cas du retournement non-uniforme : Dans ce type de renversement, les moments magnétiques ne tournent pas de manière uniforme. Le désalignement des moments magnétiques qui apparaît dans tout processus non uniforme de retournement, conduit à une augmentation de l’énergie d’échange. La comparaison entre cette perte d’énergie et le gain éventuel d’un autre type d’énergie indique si le processus est plus favorable que la rotation cohérente.
Comme on considère des objets de haute symétrie, le gradient de l’aimantation locale au sein de la structure peut être décrit par un faible nombre de paramètres, ce qui autorise un traitement analytique et un calcul des champs de nucléation.

Magnétisme des petites particules

Cette partie est consacrée à l’étude de quelques propriétés magnétiques, comme par exemple le superparamagnétisme qui sont caractéristiques pour des particules de taille de l’ordre de la dizaine de nanomètres.
Le bilan énergétique et les domaines magnétiques: Dans le cas des petites particules il y a deux comportements complètement différents qui apparaissent : celui donné par les atomes de surface et celui donné par le cœur de la particule. Lorsque le cœur présente un comportement similaire à celui d’un matériau massif, la surface présente un désordre magnétique plus important. La compétition entre ces deux comportements va déterminer l’état fondamental de la particule. Le formation de domaines magnétiques est elle aussi influencée par le volume de la particule. Quand le volume du système magnétique diminue, la taille de domaine diminue aussi [Hubert_98]. En dessous d’une certaine valeur critique du volume, le coût en énergie pour créer une paroi dépasse ce qu’on gagne par la réduction de l’énergie magnétostatique.
Par conséquence le système ne va plus se diviser en petits domaines et il reste monodomaine. Le renversement de l’aimantation L’influence de la taille d’une particule, à une température fixée s’exerce aussi sur les mécanismes de renversement de l’aimantation.
Tout d’abord, dans le cas d’une particule de très grande taille (taille micronique) qui comporte plusieurs domaines magnétiques le retournement s’effectue par le déplacement des parois de domaines. Cela conduit a un champ coercitif peu élevé.
Ensuite pour une taille plus petite (taille nanométrique), la particule devient monodomaine et le retournement s’effectue par la rotation de l’aimantation impliquant un changement d’énergie magnétique important en raison de l’anisotropie qui défavorise certaines orientations intermédiaires. La coercivité est alors importante [Dimitrov_94].
Enfin, pour des tailles encore plus petites, les fluctuations thermiques (KBT) l’emportent sur la hauteur de la barrière d’anisotropie (KeffV). Dans ce cas la particule est dans un régime nommé superparamagnétique et comme le renversement de l’aimantation est très aisé le champ coercitif est nul.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
Chapitre 1 : LE MAGNETISME D’UN SYSTEME FERROMAGNETIQUE
1.1. Introduction
1.2. La théorie du micromagnétisme
1.2.1. Energie libre d’un système ferromagnétique
1.2.1.1 L’énergie d’échange
1.2.1.2 L’énergie d’interaction dipolaire
1.2.1.3 L’énergie d’anisotropie
1.2.1.4 L’énergie Zeeman
1.2.2 Equation Landau- Lifshitz – Gilbert
1.3. Domaines magnétiques et parois dans des couches minces
1.3.1 Domaines magnétiques
1.3.2 Parois magnétiques
1.3.2.1 Les parois symétriques
1.3.2.2 La structure interne d’une paroi dans les fils
1.3.3 D’autres types d’inhomogénéités de l’aimantation : l’état vortex
1.4. Les modes de retournement de l’aimantation
1.4.1 Cas du retournement de l’aimantation uniforme
1.4.2 Cas du retournement de l‘aimantation non-uniforme
1.4.3 Renversement de l’aimantation par nucléation et propagation des parois
1.5. Le magnétisme des petites particules
Références bibliographiques du chapitre 1
Chapitre 2 : ELABORATION ET CARACTERISATION DES ECHANTILLONS
2.1. Introduction
2.2. Méthode expérimentale d’élaboration des échantillons
2.2.1 Pulvérisation cathodique
2.1.1.1 Recuit ex-situ
2.2.2 Les techniques de préparation des réseaux de plots
2.2.2.1 La nano- impression
2.2.2.2 La lithographie électronique et la gravure
2.2.3 L’électrodéposition des fils de Co
2.3 Caractérisation structurale des échantillons
2.3.1 Microscope électronique par transmission (TEM)
2.4. Caractérisation magnétique des échantillons
2.4.1 Le magnétomètre à échantillon vibrant (VSM)
2.4.2 SQUID ( Superconducting Quantum Inteferometer Device)
2.4.3 L’effet Kerr magnéto-optique (MOKE)
2.4.4 Microscope à force magnétique (MFM)
Références bibliographiques du chapitre 2
Chapitre 3 : PLOTS CIRCULAIRES, L’INFLUENCE DES INTERACTIONS DIPOLAIRES
3.1 Introduction
3.2 Le cas d’un plot isolé
3.3 Systèmes des plots en interaction dipolaire
3.4 La description du système étudié
3.5 Corrélation des chiralités des vortex dans des réseaux des plots
3.5.1 Réseau carré des plots circulaires espacés
3.5.2 Réseau de chaînes de deux plots
3.5.3 Réseau des chaînes des plots arrangés en zig- zag
3.5.4 Réseau des plots arrangés dans une structure hexagonale
3.6 L’influence des interactions dipolaires sur la dépendance angulaire du champ de nucléation et d’annihilation pour différents types de structures
3.7 Conclusion
Références bibliographiques du chapitre
Chapitre 4 : MAGNETISME DE RESEAUX DES PLOTS CARRES
4.1 Introduction
4.2 Le cas d’un plot isolé
4.2.1 Les états fondamentaux d’un plot isolé
4.2.2 Contraste magnétique
4.3 Comparaison entre systèmes des plots carrés et circulaires
4.4 Description du système étudié
4.5 Calculs des interactions dipolaires provenant des tranchés et des plots voisin
4.6 L’état fondamental et l’état de la rémanence
4.6.1 Le contraste magnétique en faible champ
4.6.2 Contraste magnétique du à la couche de Co du tranchés
4.7 Magnétisme macroscopique des plots de Co : étude MOKE
4.7.1 Dépendance de la séparation S entre les plots
4.7.2 Dépendance angulaire
4.8 Magnétisme microscopique des plots de Co : étude MFM
4.8.1 Renversement de l’aimantation dans des réseaux des plots espacés
4.8.2 Renversement de l’aimantation dans des réseaux des plots serrés
4.8.3 La variation du champ de nucléation et d’annihilation du vortex
4.8.4 Corrélation de l’aimantation : aimantation en zig- zag
4.9. Conclusions
Références bibliographiques du chapitre
Chapitre 5 :L’ELABORATION DES NANOPARTICULES PAR IRRADIATION ELECTRONIQUE
5.1. Introduction
5.2. Différents types de croissance d’un métal sur un oxyde
5.3. Préparation et caractérisation magnétique des échantillons
5.3.1 Préparation et caractérisation magnétique des couches Co/SiO2
5.3.1.1 Optimisation de la température de dépôt
5.3.1.2 L’influence de l’épaisseur de la couche et de la température de recuit sur ses propriétés magnétiques
5.3.2 Préparation et caractérisation magnétique des couches Co/SiN
5.4. Irradiation par un faisceau d’électrons provenant d’un TEM
5.4.1 L’effet de l’irradiation de couches discontinues de Co
5.4.2 L’effet de l’irradiation de couches continues de Co
5.5. Conclusion
Références bibliographiques du chapitre
Chapitre 6 : FILS ELECTRODEPOSES DE CO, CARACTERISATION MAGNETIQUE ET STRUCTURALE
6.1. Introduction
6.2. Description du système étudié
6.3. Interaction dipolaire entre les fils dans la membrane
6.4. L’influence du diamètre de fils sur leurs propriétés
6.4.1 Etude TEM
6.4.2 Etude MFM
6.4.3 Mesures AMR sur des fils de 60nm diamètre
6.5 L’influence du pH de la solution électrolytique
6.5.1 Caractérisation VSM
6.5.2 Caractérisation RFM
6.5.3 Caractérisation MFM
6.6 L’influence du courant de dépôt
6.6.1 Caractérisation RFM
6.6.2 Caractérisation TEM
6.6.3 Caractérisation VSM
6.7. Conclusions
Perspectives
Références bibliographiques du chapitre
CONCLUSIONS GENERALES
ANNEXES
Annexe 1 : Calcul du champ dipolaire
Annexe 2 : Images des diffraction théoriques
Annexe 3 : Simulations micromagnétiques avec le logiciel OOMMF