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Matériaux à propriété modulables


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Matériaux à propriété modulables

 

Si le champ magnétique est le moyen le plus commun utilisé pour moduler l’aimantation et ses propriétés, les couplages de l’aimantation avec son environnement, électrique, magnétique ou cristallin, peuvent constituer un moyen d’action sur le magnétisme. Pour que les effets de ces derniers soient significatifs, il convient en général de choisir des matériaux dans lesquels ils sont exacerbés. Ainsi, le couplage entre un ordre magnétique et un ordre électrique est mis à profit dans des matériaux dits multiferroïques. Le couplage entre deux sous-réseaux magnétiques, dans des alliages dits ferrimagnétiques, peut permettre d’en ajuster les propriétés magnétiques, tant d’un point de vue statique que dynamique. Autre alternative, les déformations résiduelles dans des films minces d’alliages dits magnétostrictifs peuvent conduire à une modulation des propriétés d’anisotropie. Dans de tels matériaux à propriétés aisément modulables, l’idée est d’optimiser les propriétés des systèmes développés pour aborder un phénomène physique particulier (dynamique, transfert de spin, effet de champ électrique…).

 

  • A. Effet du champ sur la polarisation dans des bicouches...

 

Les matériaux multiferroïques sont simultanément ferroélectrique et ferromagnétique et présentent de plus un couplage entre les ordres magnétique et électrique. Il devient dès lors possible de retourner l’aimantation dans de tels composés par un champ électrique ou de renverser la polarisation par un champ magnétique.

L’objectif des études de matériaux multiferroïques est i) la détermination des propriétés électrique et magnétique de matériaux multiferroïques, en couches minces comme sous forme massive et ii) l’optimisation du phénomène de couplage entre leurs propriétés. La physique spécifique de ces systèmes est riche et reste à élucider en détails. Par ailleurs, la réalisation de nouveaux dispositifs comme un élément de mémoire reconfigurable électriquement ou une mémoire magnétique à quatre états permettant l’exploitation des propriétés de ces matériaux multifonctionnels est particulièrement attractive.

 

Dans des hétérostructures multiferroïques BiFe03 (BFO)/ ferromagnétiques (FM) (Collaboration avec le SPEC-CEA Saclay), les propriétés de la couche FM ont été analysées en fonction de la structure en domaines ferroélectriques du BFO. Ainsi, nous avons montré l’influence d’un champ électrique sur le système couche FM / cristal de BFO. Le champ électrique modifie la structure en domaines ferroélectriques du cristal, et donc son ordre antiferromagnétique via le couplage magnéto-électrique. Il apparaît ensuite que la structure antiferromagnétique de « volume » du BFO influe sur le comportement de la couche ferromagnétique avec laquelle elle interagit. Ainsi, la rotation de la polarisation électrique dans le cristal de BFO, sous l’action directe du champ électrique, peut induire une rotation de 90° des axes d’anisotropie de la couche FM. Ce résultat représente le premier pas vers la commande électrique de l’aimantation en utilisant la bifonctionnalité du BFO. Des études se poursuivent pour obtenir, à terme, un renversement de l’aimantation de la couche FM par application d’un champ électrique.

 

En savoir plus :

 

Fig  : Image (500 µm) en biréfringence de la structure en domaines de la polarisation électrique d’un cristal de BFO, induite par un champ électrique. Une rotation de 90° de la polarisation électrique d’un domaine à l’autre peut induire une rotation correspondante des axes d’anisotropie (c’est-à-dire les directions d’orientation préférentielle) de l’aimantation de la couche ferromagnétique couplée au cristal.

 

Les multiferroïques présentent également de propriétés de (photo)-conductivité qui donnent lieu à des nouvelles activités de recherche.

 

Reference  : D. Lebeugle et al, PRL 2009, PRB (2010)

 

  • B. Matériaux ferrimagnétiques

 
Les alliages ferrimagnétiques entre terres rares et métaux de transition possèdent des propriétés magnétiques uniques. Il s’agit de composés de terres rares, aux moments magnétiques localisés et anisotropes, et de métaux de transition, caractérisés par un fort échange et un magnétisme de bandes. En raison de l’évolution thermique différente de l’aimantation des deux sous-réseaux magnétiques, ces alliages présentent une température de compensation magnétique, contrôlée par la concentration, pour laquelle les aimantations des deux sous-réseaux se compensent. Au voisinage de cette compensation magnétique, les propriétés magnétiques usuelles (anisotropie, coercivité, distribution de l’aimantation, mode de renversement de l’aimantation…) sont déjà à redécouvrir. Ces alliages ferrimagnétiques constituent aussi des systèmes originaux de par leur dynamique propre. En effet, le couplage entre la dynamique des deux éléments qui présentent des facteurs gyromagnétiques différents permet de définir une température de compensation, dite "angulaire", pour laquelle l’amortissement effectif, ainsi que la fréquence de précession divergent. Il est ainsi possible de produire, en théorie, des systèmes où le contrôle de l’aimantation par précession est infiniment rapide et immédiatement amorti.

 

Dans des couches minces d’alliages amorphes GdCo (Thèse de N. Bergeard, cotutelle entre le LPS A. Mougin et SOLEIL F. Sirotti), nous avons montré l’extrême sensibilité des propriétés magnétiques à la structure et à la concentration. Des analyses fines de spectroscopies (photoémission, EXAFS), combinées à des études magnétiques par magnéto-optique et dichroïsme magnétique circulaire des rayons X ont permis d’acquérir une compréhension détaillée du comportement magnétique.

 

Fig : Illustration de la compensation magnétique dans une couche de GdCo avec une inhomogénéité latérale de composition (de l’ordre du pourcent) : image (4x5 mm2) en dichroïsme des rayons X d’une paroi de compensation qui sépare deux domaines magnétiques dans lesquels le cobalt présente une réponse opposée en champ magnétique. La zone de la paroi est caractérisée par une aimantation totale proche de 0.

 

  • C. Effet des contraintes sur le magnétisme

 

Similairement à l’effet piézo-électrique, dans lequel une déformation mécanique d’un matériau y induit une polarisation électrique, les déformations d’un matériau magnétique induisent une anisotropie magnétique. Et réciproquement, la rotation de l’aimantation induit une variation de l’état de déformation d’un échantillon. Ce dernier effet s’appelle la magnétostriction, et le premier la magnétostriction inverse. L’importance de l’anisotropie induite dépend de la déformation et d’un paramètre matériau (le couplage magnéto-élastique).

 

Ces effets sont générateurs d’applications par le contrôle mécanique du magnétisme qu’ils permettent. Ils sont aussi à l’origine de nouveaux matériaux lorsqu’on fait pousser un matériau magnétique sur un substrat de maille légèrement différente (déformation épitaxiale). Mais ils peuvent être une gêne car il reste souvent des contraintes dans une couche déposée ou mise en forme. C’est pourquoi on utilise parfois des matériaux sans magnétostriction (tels qu’un alliage de nickel et de fer appelé permalloy) quand on veut contrôler par la forme seulement l’anisotropie effective d’un échantillon.

 

Les images ci-dessous, acquises par MFM (lien MFM_technique), se rapportent à des nanostructures élaborées à partir d’une couche de l’alliage ferromagnétique de nickel et de palladium, à forte magnétostriction. L’effet remarquable est que l’aimantation s’oriente préférentiellement orthogonalement à la grande dimension des structures, c’est-à-dire que l’effet démagnétisant (de forme) est plus que compensé. Ceci est dû à la constante de magnétostriction négative du nickel. Les déformations en jeu sont attribuées à des contraintes thermiques résiduelles (dépôt à chaud de la couche sur un substrat à relativement faible coefficient de dilatation thermique).

 

Figure : images par microscopie à force magnétiques de nanostructures d’un alliage de nickel et de palladium (épaisseur 30 nm environ, largeur des structures 500 nm typiquement).