Élaboration de couches minces ferromagnétiques à forte perméabilité pour applications hyperfréquences PDF Download
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Author: Samuel Queste Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 210
Book Description
Cette étude a pour objet l'élaboration et la caractérisation de dépôts amorphes doux ou polycristallins possédant de forts niveaux de perméabilité dans la gamme des hyperfréquences. Ces couches minces ferromagnétiques microniques sont obtenues par pulvérisation cathodique assistée magnétron au déroulé sur substrat souple. Les travaux ont consisté dans un premier temps à la recherche de bases d'alliages répondant aux propriétés souhaitées. Les matériaux retenus sont le FeNi, le FeNiMo, le CoNbZr et le CoFeB. La seconde partie montre dans quelle mesure la réponse de la perméabilité est modifiable à travers les paramètres de pulvérisation. Ces couches ont vocation à être intégrées dans des dispositifs avec de fortes contraintes de dimensions (latérales et épaisseurs), une étude de l'impact des effets de forme sur les propriétés magnétiques de ces alliages est ensuite présentée. Elle révèle une instabilité de l'axe de facile aimantation pour la base Nickel et la présence d'effets de bords importants pour la base Cobalt. La dernière partie du mémoire concerne l'étude du couplage d'échange entre une couche ferromagnétique (F) et une couche antiferromagnétique (AF), dans l'optique d'augmenter l'anisotropie de la couche F. Une étude plus théorique a également été menée en utilisant les spécificités des mesures hyperfréquences pour sonder l'apparition du couplage d'échange après dépôts de quelques mono-couches AF.
Author: Samuel Queste Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 210
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Cette étude a pour objet l'élaboration et la caractérisation de dépôts amorphes doux ou polycristallins possédant de forts niveaux de perméabilité dans la gamme des hyperfréquences. Ces couches minces ferromagnétiques microniques sont obtenues par pulvérisation cathodique assistée magnétron au déroulé sur substrat souple. Les travaux ont consisté dans un premier temps à la recherche de bases d'alliages répondant aux propriétés souhaitées. Les matériaux retenus sont le FeNi, le FeNiMo, le CoNbZr et le CoFeB. La seconde partie montre dans quelle mesure la réponse de la perméabilité est modifiable à travers les paramètres de pulvérisation. Ces couches ont vocation à être intégrées dans des dispositifs avec de fortes contraintes de dimensions (latérales et épaisseurs), une étude de l'impact des effets de forme sur les propriétés magnétiques de ces alliages est ensuite présentée. Elle révèle une instabilité de l'axe de facile aimantation pour la base Nickel et la présence d'effets de bords importants pour la base Cobalt. La dernière partie du mémoire concerne l'étude du couplage d'échange entre une couche ferromagnétique (F) et une couche antiferromagnétique (AF), dans l'optique d'augmenter l'anisotropie de la couche F. Une étude plus théorique a également été menée en utilisant les spécificités des mesures hyperfréquences pour sonder l'apparition du couplage d'échange après dépôts de quelques mono-couches AF.
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CE TRAVAIL CONCERNE L'ELABORATION ET L'ETUDE DE NOUVEAUX MATERIAUX MAGNETIQUES DESTINES A DES APPLICATIONS RADIOFREQUENCES ET HYPERFREQUENCES ENTRE 1 MHZ ET 20 GHZ. JUSQU'A PRESENT, LES MATERIAUX PREFERES DANS LES APPLICATIONS RADIOFREQUENCES ET HYPERFREQUENCES ONT ETE LES FERRITES. IL S'AGIT DE MATERIAUX ISOLANTS MAIS FERRIMAGNETIQUES DONC A FAIBLE AIMANTATION SPONTANEE. OR LES ALLIAGES FERROMAGNETIQUES ONT DES PROPRIETES BIEN SUPERIEURES AUX FERRITES EN PARTICULIER DES AIMANTATIONS 3 A 4 FOIS SUPERIEURES. MAIS CE SONT DES CONDUCTEURS METALLIQUES QUI NE PEUVENT ETRE UTILISES SOUS FORME MASSIVE AUX FREQUENCES ELEVEES A CAUSE DE L'EFFET DE PEAU. LE PRESENT TRAVAIL TRANSPOSE LA SOLUTION DU FEUILLETAGE AUX HYPERFREQUENCES ET DEMONTRE QUE DES COMPOSITES STRATIFIES DU TYPE METAL FERROMAGNETIQUE - ISOLANT PEUVENT CONCURRENCER LES FERRITES ET MEME ETRE PLUS PERFORMANTS DANS NOMBRE DE CAS A CONDITION DE REALISER DES TAUX DE CHARGE CONVENABLES. DANS CE BUT, NOS COMPOSITES SONT CONSTITUES D'EMPILEMENTS DE FILMS MINCES DE POLYMERE REVETUS DU DEPOT MAGNETIQUE. NOUS DEMONTRONS LA POSSIBILITE DE RECOUVRIR PAR PULVERISATION MAGNETRON AU DEROULE DE GRANDES SURFACES DE POLYMERE (MYLAR OU KAPTON D'EPAISSEUR 12 MICRONS VOIRE 3.5 MICRONS) PAR DES ALLIAGES AMORPHES A BASE DE COBALT, AYANT EN PARTICULIER UNE ANISOTROPIE UNIAXIALE PLANAIRE BIEN DEFINIE ET CONTROLEE. LES PROPRIETES DYNAMIQUES PREVUES (NOTAMMENT LA VIOLATION DE LA LIMITE DE SNOEK) SONT VERIFIEES ET DIFFERENTES SOLUTIONS SONT PROPOSEES POUR MODIFIER A VOLONTE LE SPECTRE DE PERMEABILITE. ENFIN, DEUX EXEMPLES DE REALISATION DE COMPOSANTS HYPERFREQUENCES UTILISANT CES MATERIAUX SONT DONNES. SUR LE PLAN THEORIQUE, NOUS CORRIGEONS LE MODELE CLASSIQUE DE RYTOV ET DONNONS LES CARACTERISTIQUES ELECTROMAGNETIQUES EFFECTIVES DU COMPOSITE. NOUS CALCULONS LA CONTRIBUTION MAGNETO-ELASTIQUE A L'ANISOTROPIE DANS LE CAS OU LES CONTRAINTES SONT ANISOTROPES ET LA RIGIDITE DU SUBSTRAT DU MEME ORDRE DE GRANDEUR QUE CELLE DE LA COUCHE
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DANS LE CADRE DES APPLICATIONS EMPLOYANT DES MATERIAUX FERROMAGNETIQUES AUX HYPERFREQUENCES, NOUS AVONS ETUDIE LES PROPRIETES MAGNETIQUES ET ELECTRIQUES DE COUCHES MINCES FERROMAGNETIQUES METALLIQUES ET DIELECTRIQUES DEPOSEES PAR PULVERISATION IONIQUE. LE PREMIER VOLET DE CE MEMOIRE SE RAPPORTE A L'INSTALLATION DE DEPOT. DES PARAMETRES CLES TELS QUE L'ORIENTATION DE LA CIBLE ET LA TEMPERATURE DU SUBSTRAT FONT L'OBJET D'UNE ANALYSE APPROFONDIE. CETTE ETUDE A PERMIS AINSI D'ABOUTIR A L'OBTENTION DE COUCHES DENSES DE QUALITE MAITRISEE. SUR LA BASE DE CES PRELIMINAIRES, DES FILMS MINCES MICROCRISTALLISES DE CO-FE-SI-B ONT ETE ELABORES ET CARACTERISES. L'ANALYSE DES PROPRIETES MAGNETIQUES STATIQUES ET DYNAMIQUES EN FONCTION DES CONDITIONS EXPERIMENTALES MONTRE QU'ELLES SONT PARTICULIEREMENT SENSIBLES AUX DEUX PARAMETRES: TEMPERATURE DE DEPOT ET BOMBARDEMENT IONIQUE. LEUR CONTROLE A PERMIS AINSI DE REALISER DES COUCHES PRESENTANT A LA FOIS DES PERMEABILITES ELEVEES A BASSE FREQUENCE ET DE FORTES PERTES A DES FREQUENCES PLUS HAUTES. EN DERNIER LIEU, L'ACCENT EST MIS SUR LA REALISATION ET L'ETUDE DE COUCHES RESISTIVES DE B-N ET DE FE-B-N. NOUS MONTRONS QU'IL EST POSSIBLE D'OBTENIR, GRACE A UN BOMBARDEMENT SIMULTANE D'IONS AZOTE DE LA COUCHE EN CROISSANCE, DES DEPOTS NITRURES DE CONCENTRATION EN AZOTE VARIABLE DANS L'INTERVALLE 0-50 POUR CENT. CONCERNANT LES DEPOTS DE FE-B-N, UNE FORTE DEPENDANCE DES CARACTERISTIQUES ELECTROMAGNETIQUES VIS-A-VIS DE LA COMPOSITION A ETE OBSERVEE. SELON LA CONCENTRATION DE FER, LES PROPRIETES DU COMPOSE EVOLUENT D'UN CARACTERE FORTEMENT FERROMAGNETIQUE ET CONDUCTEUR, A UN COMPORTEMENT TRES RESISTIF MAIS A FAIBLE INDUCTION A SATURATION
Author: Kevin Garello Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 165
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Le travail a porté sur l'élaboration d'hétérostructures magnéto-diélectriques polycristallines en couches minces pour les applications radiofréquences. Le résultat marquant est l'obtention d'une compatibilité en température de procédé de la phase pérovskite du SrTiO3 des électrodes magnétiques du type FeCo/NiMn. Un tel matériau associe artificiellement une très forte permittivité (εr=100) et une très forte perméabilité( μr=200) qui permet de comprimer la longueur d'onde d'un signal radioélectrique, avec ici un caractère faiblement dissipatif jusqu'à 10 GHz environ. Ceci constitue une première et a fait l'objet de plusieurs dépôts de brevets. Différentes versions de ce matériau ont été testées en guides coplanaires et avec des antennes et le potentiel de miniaturisation est discuté par applications.
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Cette thèse s'inscrit dans le domaine des matériaux magnétiques pour les hyperfréquences. Les matériaux magnétiques les plus utilisés dans des dispositifs hyperfréquences sont des ferrites, en particulier les grenats qui ont un très faible amortissement magnétique (de l'ordre de 0,0001). La course à la miniaturisation dans les technologies actuelles, pose certains problèmes liés à l'intégration de ferrites dans les composants hyperfréquences. Ces matériaux, à base d'oxyde de fer, nécessitent généralement des températures de dépôt très élevées qui risquent d'endommager d'autres parties au sein d'un même circuit. Une solution réside dans l'utilisation de matériaux ferromagnétiques qui peuvent être déposés à des températures modérées. Cependant, ce type de matériaux présente habituellement des facteurs d'amortissement élevés les rendant ainsi peu compatibles avec les caractéristiques recherchés pour des composants hyperfréquences. Dans ce contexte, les alliages Heusler apparaissent particulièrement attrayants. En effet, ces derniers présentent une aimantation et une température de Curie élevées, et des calculs ab initio prédisent des facteurs d'amortissement extrêmement faibles. La première étape de ce travail a consisté à mettre au point un banc de résonance ferromagnétique capable d'étudier des matériaux dans le domaine hyperfréquence. Cette étape s'est suivie de l'élaboration de couches minces épitaxiales de Co2MnSi par pulvérisation cathodique sur substrat MgO (001) et MgO/Cr (001). Une étude structurale poussée (RHEED, diffraction X, microscopie électronique en transmission) a permis de vérifier la bonne qualité cristalline des couches. Leurs propriétés magnétiques ont été étudiées par des techniques statiques et dynamiques afin d'obtenir une caractérisation complète de leurs paramètres magnétiques en fonction de l'épaisseur du matériau : aimantation à saturation, constante d'échange, amortissement, facteur gyromagnétique, constantes d'anisotropie. L'obtention de ces paramètres a été assistée par une modélisation reposant sur des outils numériques développés pendant la thèse. Les échantillons étudiés présentent des faibles amortissements magnétiques compris entre 0,002 et 0,007. Les paramètres magnétiques (anisotropie magnétocristalline, facteur gyromagnétique) sont fortement modifiés avec l'implémentation d'une couche tampon de Cr. Cela suggère que les propriétés magnétiques dans les alliages Heusler, sous forme de couches minces, sont étroitement liées aux contraintes dans les interfaces. Ce travail de thèse est une première étape qui a montré que le Co2MnSi pourrait constituer une brique élémentaire pour la réalisation de composants hyperfréquences. L'ingénierie de la couche tampon s'annonce comme une clé pour rendre ces alliages compatibles avec les besoins des technologies actuelles. Cette thèse permettra, par la suite, d'étudier des systèmes plus complexes tels les cristaux magnoniques à base d'alliages Heusler.
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NOUS PRESENTONS LES RESULTATS EXPERIMENTAUX DE L'ELABORATION DE COUCHES MINCES SUPRACONDUCTRICES DE (NBTI)N, DEPOSEES SUR DES SUBSTRATS EN CUIVRE PAR PULVERISATION REACTIVE MAGNETRON. LES COUCHES ONT ETE OPTIMISEES POUR LA REALISATION DE CAVITES ACCELERATRICES 1.5 GHZ. UNE NOUVELLE CATHODE MAGNETRON A ETE CARACTERISEE PUIS UTILISEE POUR LE DEPOT A L'INTERIEUR DE PLUSIEURS CAVITES. LA PRESSION PARTIELLE D'AZOTE A ETE OPTIMISEE SUR DES PETITS ECHANTILLONS PAR DES MESURES DE TEMPERATURE CRITIQUE ET DE RESISTIVITE A TEMPERATURE AMBIANTE. DES MESURES HF ONT ETE REALISEES SUR DES ECHANTILLONS DE TAILLE MOYENNE, A L'AIDE D'UNE CAVITE CYLINDRIQUE TE011 DONT LE COUVERCLE ETAIT DEMONTABLE. PLUSIEURS TRAITEMENTS DE SURFACE DU CUIVRE ET PLUSIEURS METHODES DE NETTOYAGE ONT ETE ESSAYES. LES MEILLEURS RESULTATS ONT ETE OBTENUS POUR DES ECHANTILLONS ELECTROPOLIS ET NETTOYES PAR BOMBARDEMENT IONIQUE. LES PLUS FAIBLES VALEURS DE RESISTANCE DE SURFACE MESUREES ONT ETE DE 100N A T=1.7K ET F=4GHZ. LA PENTE DE LA VARIATION DE LA RESISTANCE DE SURFACE AVEC LE CHAMP HF EST IMPORTANTE ET POURRAIT ETRE RELIEE A LA RUGOSITE LOCALE DE LA SURFACE. L'ENSEMBLE DU PROCESS DE FABRICATION COMPRENANT LE POLISSAGE MECANIQUE ET ELECTROCHIMIQUE, LE RINCAGE, LE TRANSPORT, LE MONTAGE, LE DEPOT ET LE TEST HF A ETE VALIDE AVEC SUCCES. LE PRINCIPAL PROBLEME RESTANT A RESOUDRE EST L'ECAILLEMENT DE LA COUCHE MINCE AUX IRIS DE LA CAVITE A CAUSE DE LA FAIBLE ADHESION ET DES FORTES CONTRAINTES. AUCUNE CAVITE (NBTI)N EXEMPTE D'ECAILLEMENT N'A PU ETRE REALISEE
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Dans le but de réduire l’encombrement des dispositifs hyperfréquences, les industriels doivent s’adapter et innover. C’est pourquoi, afin de rendre les systèmes de télécommunication toujours plus discrets et efficaces, il est possible d’y intégrer des couches minces magnétiques à haute perméabilité. Concernant les dispositifs antennaires, il s’avère que les antennes planaires présentent de meilleures performances d’un point de vue miniaturisation vis-à-vis du caractère magnétique que les antennes dipolaires. Par conséquent, des modèles analytiques ont été développés de manière à estimer l’influence des caractéristiques intrinsèques du substrat sur les performances des antennes. En continuité de ces travaux, la même démarche a été étendue au cas d’un empilement de couches magnétodiélectriques. D’autre part, ces couches minces magnétiques ont été placées dans le champ proche de dispositifs coplanaires hyperfréquences. Les résultats obtenus ont montré que l’insertion des matériaux magnétiques autorisait des taux de miniaturisation importants. Enfin, le spectre magnétique des couches minces présente de fortes pertes magnétiques à la fréquence de résonance ferromagnétique, et cela, sur une large bande de fréquence. C’est pourquoi, des dispositifs antennaires large bande incluant des fonctions de filtrage de type « coupe-bande » ont été étudiés.
Author: Chantal Le Graët Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 187
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L'axe de recherche développé au cours de la thèse a particulièrement été focalisé sur l’utilisation de matériaux nouveaux pour des applications en haut de bande HP. Afin de satisfaire de telles exigences, il convient de concevoir des matériaux ayant la particularité de posséder des valeurs de permittivité et de perméabilité élevées dans les fréquences micro-ondes comprises entre 1 et 20 gigahertz. Cette dernière propriété nécessite d’élaborer des matériaux à anisotropie magnétique uniaxiale bien définie, à forte aimantation à saturation et à coercitivité faible, les deux premières propriétés étant difficilement compatibles. La motivation initiale de ce travail porte ainsi sur l’élaboration, l’optimisation et l’étude de la dynamique de spin à haute fréquence de structures multicouches d’épaisseur nanométrique de type ferromagnétique/isolant, avec les ferromagnétiques choisis NiFe et CoFeZr et les isolants de type diamagnétique Al203 et anti-ferromagnétique NiO. Le couplage avec la couche de NiO permet d’induire une anisotropie unidirectionnelle. De plus, nous nous sommes particulièrement intéressés aux effets de dimensionnalité réduite sur les propriétés magnétiques dynamiques. Afin d’élaborer ces matériaux, nous avons mené une étude systématique des paramètres magnétiques statiques et structuraux en fonction des conditions de dépôt. Cela nous a permis de sélectionner les conditions de croissance appropriées et de mettre en évidence la corrélation entre les propriétés structurales et magnétiques. Les performances dynamiques de ces matériaux (CoFeZr) les placent comme de bons candidats pour certaines applications RF nécessitant à la fois une perméabilité et des fréquences de résonance élevées. Les mesures systématiques conduites sur les deux structures à base de Py et de CoFeZr, nous ont permis de dégager, d’une part, le rôle clé de l’interface pour ces matériaux aux épaisseurs concernées, mais aussi d’évaluer les différents termes d’anisotropie présents et notamment un comportement remarquable de l’anisotropie uniaxiale pour les systèmes Py/Al2O3 avec le basculement de l’axe d’anisotropie à une épaisseur critique de 5 nm. De plus, un traitement par analyse REM et l’utilisation du modèle de Meiklejohn et Bean nous permettent de déterminer le désalignement entres les axes d’anisotropie des systèmes couplés par échange, ce qui peut se révéler complexe selon d’autre méthode. Dans l’étude de la relaxation magnétique, nous avons utilisé les larges possibilités de la résonance ferromagnétique large bande afin de discriminer et de quantifier les différentes contributions à la relaxation des différents systèmes étudiés. Un point fort de cette étude de la relaxation magnétique est l’observation et la quantification de l’anisotropie de l’amortissement intrinsèque (αG) induite et surtout proportionnelle au couplage d’échange.
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ON PRESENTE DANS CE MEMOIRE L'ETUDE DE MILIEUX HETEROGENES CONTENANT DES INCLUSIONS FERROMAGNETIQUES. LES PROPRIETES EN HYPERFREQUENCE DES MATERIAUX COMPOSITES AINSI DECRITS CONCURRENCENT CELLES DES MATERIAUX HOMOGENES POUR CERTAINES APPLICATIONS. ON A ANALYSE LE COMPORTEMENT DE MILIEUX HETEROGENES CONTENANT DES INCLUSIONS METALLIQUES, CE QUI ENGLOBE LE CAS DE PARTICULES FERROMAGNETIQUES, VIS-A-VIS DE LA PROPAGATION D'UNE ONDE ELECTROMAGNETIQUE. LA DIFFICULTE PRINCIPALE POSEE PAR LE CARACTERE METALLIQUE DE CES INCLUSIONS EST CONSTITUEE PAR LA PRISE EN COMPTE CORRECTE DE L'EFFET DE PEAU. LES RELATIONS EXISTANT ENTRE LES PROPRIETES HYPERFREQUENCES ET LES CARACTERISTIQUES STATIQUES DES MATERIAUX MAGNETIQUES ONT PERMIS DE MONTRER L'EXISTENCE D'UNE REGLE GENERALE SUR LA PERMEABILITE MAGNETIQUE HYPERFREQUENCE. ON CARACTERISE AINSI LES POSSIBILITES OFFERTES PAR LES MATERIAUX COMPOSITES POUR REPONDRE DE MANIERE TRES EFFICACE A UN PROBLEME POSE. ON DECRIT UNE METHODE DE MESURE DE LA PERMEABILITE HYPERFREQUENCE PARTICULIEREMENT ADAPTEE A DES INCLUSIONS FERROMAGNETIQUES PLANAIRES OU FILAIRES. LA PERMEABILITE MAGNETIQUE EST MESUREE AVEC UNE GRANDE PRECISION SUR UNE FAIBLE QUANTITE DE MATIERE. DE PLUS, LA TECHNIQUE MET EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES EFFETS DE FORME OU DES CONTRAINTES SUR LES PROPRIETES. L'ETUDE EXPERIMENTALE DES PROPRIETES STATIQUES ET DYNAMIQUES DE COMPOSITES TRES ANISOTROPES REALISES A PARTIR DE COUCHES MINCES DEPOSEES SUR UN FILM ISOLANT ABOUTIT A LA REALISATION DE CIRCUITS HYPERFREQUENCES ACCORDABLES. ON PRESENTE ENSUITE UNE TOPOLOGIE ISOTROPE PERIODIQUE REALISABLE PAR EXEMPLE A PARTIR DE COUCHES MINCES FERROMAGNETIQUES. UNE DEMARCHE BASEE SUR L'ANALYSE DES INTERACTIONS ENTRE INCLUSIONS CONDUIT DE MANIERE EFFICACE A LA PREVISION DES PROPRIETES DYNAMIQUES A PARTIR DES GRANDEURS STATIQUES.
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Les dispositifs micro-ondes non réciproques à ferrite, comme les circulateurs, sont actuellement très utilisés dans les télécommunications sous forme massive. Ils nécessitent, pour fonctionner, d'être polarisés par un champ magnétique, qui peut être créé par un aimant permanent. L'enjeu actuel est d'intégrer ces circulateurs, sous forme de multicouche, sur un même substrat (technologies MMIC). Une autre application possible de ces dispositifs intégrés à ferrite sont les antennes à polarisation circulaire. Une simulation de leur comportement à 40 GHz est notamment présentée dans ce mémoire. La suite de ce travail traite de la réalisation par pulvérisation radiofréquence magnétron et de la caractérisation de couches magnétiques de Samarium-Cobalt et de Néodyme-Fer-Bore ; elles sont susceptibles de polariser magnétiquement une couche de ferrite doux. Pour ce faire, l'axe de facile aimantation des mailles doit être perpendiculaire au plan de la couche. Afin de favoriser cette orientation, un dispositif de dépôt sous induction magnétique a été conçu après simulation. Des possibilités d'épitaxie des dépôts sur les substrats ont également été envisagées afin de favoriser la croissance axe c. L'influence, sur la structure des couches, leurs propriétés magnétiques et leur composition, de nombreux paramètres expérimentaux a été étudiée. La phase magnétique Nd(2)Fe(14)B a ainsi pu être mise en évidence sous forme polycristalline. Des champs coercitifs de l'ordre de 0,6 Tesla ont pu être obtenus. L'intégration des circulateurs nécessitera, ensuite, d'orienter convenablement ces couches magnétiques dures
Author: Samuel Queste
Author: Samuel Queste
Author: GERALDINE.. PERRIN
Author: Jean-Luc Vermeulen
Author: Kevin Garello
Author: Guillermo Ortiz Hernandez
Author: SERBAN.. CANTACUZENE
Author: Damien Rialet
Author: Chantal Le Graët
Author: Anne-Lise Adenot
Author: Matthieu Valetas