Etude expérimentale de la multifissuration et de la décohésion de films minces et nanostructures magnétiques sur substrats flexibles PDF Download
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Book Description
Les systèmes magnétiques flexibles et étirables sont d'intérêt croissant pour le développement de dispositifs électromagnétiques conformables aux surfaces non planes. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'identifier des relations entre phénomènes mécaniques irréversibles (fissuration et délamination) aux grandes déformations et propriétés magnétiques de films minces d'épaisseurs nanométriques (alliages de CoFeB et NiFe) élaborés sur substrat polymère (Kapton®) par pulvérisation magnétron. Dans un premier temps, des essais de traction couplés in situ à la microscopie à forces atomiques ou des mesures de résistance électrique ont permis d'étudier la multifissuration des films minces et les décollements localisés (cloques) subséquents. Ces mesures ont permis de mettre en évidence des domaines de déformations macroscopiques pour lesquels chaque mécanisme était prépondérant. De plus l'énergie d'adhésion a pu être discutée et estimée à partir du suivi des cloques sous déformation. Dans un second temps, des mesures par résonance ferromagnétique effectuées ex situ ont permis de relier les domaines des déformations identifiés précédemment aux évolutions de l'anisotropie magnétique des films minces. De plus, une corrélation entre hétérogénéités de déformations et coefficient d'amortissement de Gilbert a été trouvée. Enfin, les propriétés magnétomécaniques de réseaux de nanolignes de NiFe ont permis de mettre en évidence l'intérêt de la nanostructuration pour ces systèmes magnétiques déformables.
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Les systèmes magnétiques flexibles et étirables sont d'intérêt croissant pour le développement de dispositifs électromagnétiques conformables aux surfaces non planes. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'identifier des relations entre phénomènes mécaniques irréversibles (fissuration et délamination) aux grandes déformations et propriétés magnétiques de films minces d'épaisseurs nanométriques (alliages de CoFeB et NiFe) élaborés sur substrat polymère (Kapton®) par pulvérisation magnétron. Dans un premier temps, des essais de traction couplés in situ à la microscopie à forces atomiques ou des mesures de résistance électrique ont permis d'étudier la multifissuration des films minces et les décollements localisés (cloques) subséquents. Ces mesures ont permis de mettre en évidence des domaines de déformations macroscopiques pour lesquels chaque mécanisme était prépondérant. De plus l'énergie d'adhésion a pu être discutée et estimée à partir du suivi des cloques sous déformation. Dans un second temps, des mesures par résonance ferromagnétique effectuées ex situ ont permis de relier les domaines des déformations identifiés précédemment aux évolutions de l'anisotropie magnétique des films minces. De plus, une corrélation entre hétérogénéités de déformations et coefficient d'amortissement de Gilbert a été trouvée. Enfin, les propriétés magnétomécaniques de réseaux de nanolignes de NiFe ont permis de mettre en évidence l'intérêt de la nanostructuration pour ces systèmes magnétiques déformables.
Author: Antoine Fleurence Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 129
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Nous avons utilisé des surfaces vicinales de Si (111) comme substrats pour la croissance de nanostructures et de films minces magnétiques. Le dépôt de quelques mono-couches d’or sur une surface à paquets de marches donne lieu à la formation d’îlots tri-dimensionnels constitués d’un composé Au-Si, alignés suivant les paquets. En faisant réagir sélectivement un film de Co avec le substrat de Si couvert par les îlots, il est possible d’y former un réseau de nanoparticules magnétiques. Suite à une étude menée par microscopie tunnel et par des moyens de magnétométrie, un procédé a été établi permettant de produire des empilements Au/Co/Au-Si localisés. Ceux-ci sont ferromagnétiques à température ambiante et ont un comportement isotrope dans le plan. Leur taille est ajustable entre 15 nm et 100 nm en jouant sur les conditions de croissance des îlots Au-Si, et de même pour leur densité. Par ailleurs, des empilements Au/Co/Au/Cu et Au/Co/Cu ont été déposés sur surfaces vicinales de Si(111) désorientées suivant [1 1 -2] et [-1 -1 2], qui diffèrent par leurs morphologies respectives. La magnétométrie Kerr et la résonance ferromagnétique ont montré des anisotropies magnétiques différentes liés à la structure cristalline des films de Co, hcp dans le cas Au/Co/Au/Cu et cfc dans le cas Au/Co/Cu. En plus de l’anisotropie magnéto-cristalline, la vicinalité induit une anisotropie uniaxiale avec un axe facile suivant la direction des bords de marche. Cette anisotropie s’explique par la modulation anisotrope de la topographie de la surface. Une observation par microscopie Kerr polaire a mis en lumière la forte influence du substrat sur la forme et la propagation des domaines magnétiques.
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Ce travail a porté sur l'analyse du comportement statique d'objets magnétiques sous forme de couches minces ou de plots submicrométriques présentant une distribution d'aimantation fortement non-uniforme et leurs excitations magnétiques. Dans ce but diverses techniques expérimentales ont été utilisées : la microscopie à force à magnétique (MFM), la résonance ferromagnétique de type micro-ruban (FMR) et la spectroscopie Brillouin (BLS). Dans une première étude, fortement expérimentale portant sur des films continus, la première étape a concerné la recherche des paramètres magnétiques et l'analyse fine de la distribution d'aimantation présente communément appelée « rubans faibles ». Un point important a consisté en la maîtrise de cette structure et notamment de sa périodicité lors des expériences dynamiques. Ce travail a été réalisé par une étude approfondie en MFM sous champ appliqué. Pour l'analyse des excitations magnétiques observées par FMR et BLS, deux modèles simples ont été proposés. Le premier utilisant une approche de Thiele afin rendre compte des déplacements de vortex tandis que le second permet d'expliquer les spectres d'ondes de spin observés. La seconde partie de notre recherche fut quant à elle purement numérique offrant une étude sur des petits plots permettant toutefois l'établissement d'une structure en vortex. Le code de calcul OOMMF fut utilisé à cet effet. Le comportement statique et dynamique a été analysé en fonction du champ appliqué et ce pour diverses tailles de plots.
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Les semiconducteurs présentant une nanostructure auto-organisée sont au centre de nombreuses études, la présence d’inhomogénéités peut en effet améliorer les propriétés physiques (optique, magnétique, ...) des matériaux considérés. Parmi les systèmes possibles, les alliages Ge-Mn qui présentent une nanostructure auto-organisée particulière sont apparus comme des candidats prometteurs dans le domaine de l’électronique de spin. En Effet, il apparait lors de la croissance des nanocolonnes riches en Mn organisées dans la matrice de Ge. Celles-ci présentent, dans certaines conditions, des propriétés ferromagnétiques à température ambiante. Cependant, de nombreuses questions relatives à la structure, à la composition, à la morphologie des nanocolonnes ou à leurs mécanismes de formation restent encore ouvertes. Dans ce travail, l’utilisation de la tomographie atomique a permis de mieux caractériser les nanocolonnes riches en Mn. Ainsi des nanocolonnes présentant différentes morphologies (discontinues, en forme de Y) ont été observées. Les nanocolonnes riches en Mn ont été identifiées comme une phase métastable (en morphologie et en composition). L’évolution structurale et chimique, induit par traitement thermique, des nanocolonnes en précipités sphériques stables a par ailleurs été étudiée. Ces observations ont ensuite été corrélées avec des modélisations de croissance de couches minces binaires obtenues par simulation Monte Carlo Cinétique. Les simulations révèlent la présence de nanocolonnes auto-organisées, bien qu’elles aient été réalisées sur un réseau rigide et sans énergie élastique. Ces modélisations nous permettent ainsi de mieux comprendre les mécanismes et l’influence des conditions d’élaboration menant à la formation de nanocolonnes.
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Ce travail vise à étudier, expérimentalement et théoriquement, le comportement des ondes de spin dans des couches ultraminces, multicouches et nanostructures magnétiques en présence de l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya d'interface (DMI). A cet effet, nous avons utilisé la spectroscopie Brillouin (BLS) de diffusion inélastique de la lumière comme sonde expérimentale. Cette technique s'est avérée un outil extrêmement efficace pour mesurer la DMI ; effet qui se traduit par une asymétrie des raies Stokes et anti-Stokes d'un spectre BLS d'un système magnétique mince en contact d'un métal lourd produisant un fort couplage spin-orbite (SOC, acronyme anglais). Ainsi,en présence de DMI, les fréquences de deux ondes de spin se propageant dans des directions opposées seront différentes du fait de la brisure de symétrie par inversion.Différents systèmes ont été abordés et différentes situations et paramètres ont été considérés.Sur les systèmes simples en couches ultraminces, le comportement en fonction de l'épaisseur du film magnétique ou encore l'effet du recuit ont été cernés mettant en évidence le caractère interfacial de la DMI et le rôle de la qualité structurale et chimique de l'interface ferromagnétique/métal lourd. Par ailleurs, nous avons montré que l'addition d'impuretés non magnétiques à fort SOC dans des métaux légers interfacés avec un ferromagnétique peut constituer une approche efficace pour améliorer et contrôler simultanément l'amortissement magnétique, l'anisotropie perpendiculaire ainsi que la DMI. Une corrélation entre ces paramètres issus du SOC a été démontrée.Dans les empilements de couches minces, une attention particulière a été dévolue au rôle des couplages d'échange, dipolaire et des anisotropies magnétiques sur le comportement des ondes de spin en présence de DMI. Il apparaît que la mesure quantitative de la DMI peut s'écarter nettement de celle obtenue à partir de l'expression analytique éprouvée pour les couches minces simples où la valeur de la DMI est directement proportionnelle au vecteur d'onde des ondes de spin. Un calcul complet est ainsi nécessaire pour tous les cas non-symétriques (interfaces non équivalentes, anisotropies d'interface différentes,. . . ). Les résultats théoriques présentés à cet effet représentent un outil extrêmement utile.L'étude de différents réseaux de nanolignes présentant une DMI a été l'occasion de mettre en évidence les effets de taille et de périodicité dans différentes situations. Des nanolignes complètement découplées ou en contact physique partiel sur l'épaisseur ont été abordées. Nous avons ainsi mis en évidence l'absence de DMI pour des ondes de spin stationnaires selon la largeur des lignes découplées et corrélé le comportement des ondes de spin à leur longueur d'atténuation et la périodicité des réseaux, alors qu'un comportement magnonique modulé par la présence de la DMI a été observé pour les lignes couplées par l'intermédiaire d'un film ferromagnétique. Les résultats obtenus dans ce travail de thèse participent à la compréhension du comportement magnétique dynamique de systèmes en présence de DMI pouvant contribuer à l'ingénierie efficace de systèmes pour l'électronique de spin du futur ou la spin-orbitronique,notamment à base de configurations de spin chirales tels que les skyrmions.
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Les travaux élaborés dans cette thèse ont pour objectif de caractériser les propriétés magnétiques et structurales de nanostructures magnétiques obtenues par une nouvelle méthode de synthèse mixte physique/chimique, dite croissance hybride. La première partie du travail réalisé consiste en l'élaboration de films minces métalliques sur substrats par pulvérisation cathodique. Sur ces films minces, la synthèse chimique par voie organométallique aboutit à des réseaux de nanofils de Co monocristallins hcp, ultra-denses, ou des films nanostructurés de Fe. Les observations MEB/MET et les mesures de diffraction de rayons X réalisées sur les substrats montrent le fort impact induit par la cristallinité de la couche mince sur la morphologie et la direction de croissance des nanostructures magnétiques.Les mesures magnétiques réalisées sur des réseaux de nanofils de Co montrent une forte anisotropie magnétique perpendiculaire au substrat. Cela est obtenu grâce à l'anisotropie magnétocristalline du Co hcp (avec l'axe c parallèle à l'axe du fil) qui s'ajoute à l'anisotropie de forme. L'aimantation thermiquement stable, semble suivre un régime de retournement cohérent, régime non observé dans les structures polycristallines. L'organisation de ces nanostructures, leur grande densité et la stabilité de leur aimantation font de ce réseau un bon candidat aux applications de médias d'enregistrement magnétique à forte densité.
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L'objet principal de cette thèse porte sur une étude par résonance ferromagnétique (RFM) de couches magnétiques ultraminces et de multicouches magnétiques correspondant au système composite (permalloy/alumine) élaboré par pulvérisation cathodique. Par contraste avec les multicouches magnétiques purement métalliques abondamment étudiées, ce système magnétique est caractérisé par le contact du matériau magnétique (noté Py) avec un diélectrique (Al2O3). Les films ont été élaborés par pulvérisation cathodique RF (cible de Py de composition Ni80Fe20), déposés sur des substrats de mica et de Si, et caractérisés par diffraction de rayons X. Ils ont tous la même structure sandwich [Al2O3base/film magnétique/ Al2O3 couverture] et le film magnétique correspond à : une couche magnétique unique, une bicouche ou une multicouche [Py/ Al2O3] N. L'expérience de RFM a consisté à étudier, à température ordinaire et en bande X, le spectre de résonance en fonction de l'orientation du champ statique appliqué dans un plan perpendiculaire au film. Pour ces films magnétiques, l'étude expérimentale systématique réalisée (RFM, mesures d'aimantation), étayée par une analyse théorique solide, permet de dégager les principaux résultats physiques suivants : Couches uniques ultraminces: le magnétisme de la couche interfaciale et l'anisotropie d'interface (axe facile perpendiculaire) dépendent fortement des conditions de dépôt (mode de dépôt , température). Les paramètres physiques sont analysés en termes d'un modèle tenant compte de la structure magnétique inhomogène de la couche de permalloy. Multicouches: l'analyse du spectre de RFM très riche observé (modes collectifs de volume et de surface) fournit une information supplémentaire sur les deux composantes de l'ancrage interfacial de l'aimantation hyperfréquence. Bicouches: un couplage d'échange indirect à travers de faibles épaisseurs ts de la barrière d'alumine est mis en évidence pour la première fois. De type ferromagnétique et d'amplitude rapidement décroissante avec ts (de 10 a 16 A°), il est attribué à un effet tunnel électronique entre les couches métalliques.
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Corrélation entre les propriétés structurales et magnétiques des couches minces et nanostructures de Co2FeAl Co2FeAl (CFA) est un alliage Heusler très attractif pour les applications en spintronique. Ses propriétés magnétiques et structurales dépendent fortement des orientations cristallines et de la qualité des interfaces. Ce travail de thèse a porté sur les effets de l'épaisseur (dCFA), du type de substrat (MgO, Si et SrTiO3 (STO)) ainsi que de la température de recuit (Ta) sur ces propriétés. Les analyses structurales ont montré que les couches déposées sur les substrats MgO et STO croissent avec épitaxie contrairement au cas de Si. Lorsque dCFA et Ta diminuent, l’ordre chimique évolue de la phase moyennement ordonnée B2 vers la phase plus désordonnée A2, quel que soit le substrat. Les mesures de résonance ferromagnétique (FMR) révèlent que les couches sur MgO et STO présentent une superposition d'anisotropies planaires uniaxiale et d’ordre 4, alors que seule une faible anisotropie uniaxiale est présente pour les couches CFA déposées sur Si. Cette anisotropie d’ordre 4 a été directement reliée à la structure cristalline de ces couches. Les mesures FMR et de diffusion Brillouin de la lumière ont mis en évidence la présence d’une grande anisotropie uniaxiale perpendiculaire négative, liée à l’interface CFA/MgO, qui augmente avec 1/dCFA et avec Ta. Les mécanismes de relaxation de l’aimantation ont été soigneusement étudiés et des coefficients d'amortissement de Gilbert de 0.0011 ont été mesurés, validant ainsi l’intérêt porté à ces alliages pour les applications dans les dispositifs à base de transfert de spin. Enfin, l’étude de réseaux de lignes submicroniques à base des couches minces de CFA a révélé une quantification des ondes de spin liée à la largeur finie des lignes.
Author: Skander Merabtine
Author: Skander Merabtine
Author: Antoine Fleurence
Author: Yacine Talbi
Author: Isabelle Mouton
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Author: Hedi Bouloussa-Huynh
Author: Charbel Achkar
Author: NADJIMA.. BOUTERFAS
Author: Hanife Tuzcuoglu