Chapitre IV: Etude des propriétés magnétiques des films de NPs
III.2 Caractérisation d’une chaîne unique
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référence. Les franges d’interférences ainsi crées peuvent être modulées en contraste et en position en modulant respectivement l’amplitude et la phase de l’onde. L’onde ainsi enregistrée totalement est un réseau d’interférences appelé hologramme.
A partir de cet hologramme l’image peut être reconstruite en une image d’amplitude et une image de phase. A partir de l’image de phase, les champs électriques et magnétiques peuvent être déterminés quantitativement,185 le décalage de phase étant sensible à la composante dans le plan de l’induction magnétique et le potentiel électrostatique de l’échantillon.184 La résolution latérale est de l’ordre de quelques nanomètres.
III.1.2.3 Protocole expérimental
En pratique l’échantillon étudié en holographie est caractérisé sur les deux faces de la membrane pour obtenir deux hologrammes de la zone étudiée afin de s’affranchir de la contribution électrique de l’échantillon en effectuant la soustraction de ces deux hologrammes. Afin de s’affranchir des effets de bruit dus à la membrane et aux franges d’interférence, une zone de référence est aussi caractérisée sur les deux faces.
Un fil d’oxyde d’aluminium recouvert de platine polarisé est introduit dans le faisceau d’électrons du microscope ce qui dévie les électrons en deux faisceaux de part et d’autre du fil. Ces deux faisceaux se superposent le long d’une bande dont la largeur augmente avec le potentiel appliqué au câble. Les deux images initialement des deux cotés du fil se superposent. Les positions du câble et de l’échantillon sont choisies de telle sorte que l’objet à étudier soit situé dans une des images et que l’autre image contienne le moins de matière possible. Dans le meilleur des cas la seconde image correspond à un trou de la membrane de la grille MET mais le plus souvent la seule possibilité est de se placer à un endroit vide de la membrane. Après avoir enregistré les hologrammes sur les deux faces de la grille MET, la reconstruction de phase conduit à la caractérisation complète de l’onde d’électron. Les contributions dans le plan du potentiel électrostatique et des variations locales de l’aimantation sont déduites de l’image d’amplitude et de phase respectivement.
167 Figure 109 :(a,c) images topographiques (AFM) et (b,d) structure magnétique (MFM) du film de NPs assemblées sous forme de chaînes. Les zones 1 correspondent à des NPs isolées ou à un petit nombre de NPs, la zone 2 correspond à une chaîne de NPs qui est présentée à plus grande échelle sur les images (c) et (d). Les flèches bleues sur l’image (c) donnent une indication de la position des NPs dans la chaîne. Les flèches représentées sur l’image (d) indiquent les zones de contraste clair (flèches blanches) et foncé (flèches noires).
Les chaînes de NPs sont visibles en MFM (Figure 109b et d) ce qui indique qu’elles interagissent plus fortement avec la pointe MFM que les NPs isolées. De plus dans les chaînes de NPs des zones de contraste clair et foncé apparaissent. Ces zones s’étendent sur plusieurs NPs comme le montre la comparaison des images AFM et MFM (Figure 109c et d). Elles sont donc constituées de pseudo domaines dans lesquels les NPs sont corrélées et ont un comportement magnétique collectif.
Cependant comme le MFM mesure uniquement les champs de fuite hors du plan, différentes configurations des aimantations peuvent correspondre à ce type de contraste MFM (Figure 110).
c d
a b
1
2 1
1
2 1
168
Figure 110 : représentations schématiques (a) d’une chaîne de NPs (b) des zones de contrastes clair et foncé observés sur la chaîne de NPs correspondante et (c) exemples de configurations possibles correspondant à ce type de contraste.
En effet les aimantations pourraient se trouver dans la direction des chaînes ou perpendiculaires à l’axe des chaînes ou dans un cas intermédiaire.
La présence de zones visibles en MFM ayant des contrastes similaires contenant plusieurs NPs indique qu’il existe un couplage intra-chaînes à l’échelle de quelques NPs et que ces NPs ont un comportement collectif car le signal MFM est supérieur à celui des NPs isolées (non visible en MFM).
Afin d’identifier la configuration magnétique des NPs de façon plus précise, des mesures d’holographie électronique ont été effectuées.
III.2.2 Holographie électronique
Une chaîne de NP20 (dont l’image MET est présentée sur la Figure 111) composée de 28 NPs est étudiée en holographie électronique.
Figure 111 : Image MET de l’échantillon étudié en holographie électronique.
a b
= ? ou ou
c
100 nm
169 La chaîne de NPs étant trop longue pour être étudiée en holographie dans son intégralité, l’étude a été réalisée sur deux zones constituant la chaîne. La Figure 112 présente (a) les images d’amplitude et (b) de phase des deux zones constituant la chaîne isolée de NP20.
Figure 112 : (a) Image d’amplitude et (b) image de phase d’une chaîne isolée de NPs déposée sur une grille de microscopie. Les zones noires correspondent à des zones de défauts de l’hologramme.
L’image d’amplitude (Figure 112a) permet de vérifier que les images prises sur l’envers et l’endroit de l’échantillon sont bien superposées et que la membrane ne crée pas de défauts. La zone noire présente sur la droite des images est due à un bord d’un trou de la membrane sur la zone de référence. L’image de phase (Figure 112b) donne une information sur la composante planaire de l’aimantation.
Pour une NP isolée la phase magnétique peut être simulée comme présentée sur la Figure 113.
a
b
170
Figure 113 : Simulation de la phase magnétique d’une NP isolée avec l’aimantation selon la flèche.
Pour une NP isolée, la phase magnétique présente deux lobes dont la séparation est la zone où se trouve l’aimantation de la NP. Lorsque les NPs sont proches les unes des autres, ces lobes se superposent et l’image de phase magnétique est plus compliquée.
Les flèches représentées sur la Figure 112b indiquent de façon indicative la direction de la composante planaire de l’échantillon. L’image de phase indique que les NPs ont des aimantations qui ne sont pas dans l’axe de la chaîne comme ce qui est observé dans la littérature186 et que la composante planaire des NPs varie d’une NP à l’autre dans la chaîne.
Figure 114 : représentations schématiques de configurations possibles des aimantation des NP20 dans une chaîne de NPs (a) moments alignés le long de la chaîne (b) moments alignés verticalement (c) moments alignés selon une hélice.
La répartition de l’aimantation planaire des NP20 dans la chaîne donnée par holographie permet d’écarter l’hypothèse où tous les spins sont alignés le long de la chaîne (Figure 114a) et celle où les spins sont alignées verticalement (Figure 114b). La MFM révèle que la composition hors du plan de l’aimantation varie dans la chaîne avec l’observation de domaines. La combinaison de l’holographie électronique et du MFM suggèrent que les aimantations suivent une configuration plus complexe (telle que une configuration en hélice Figure 114c). Des mesures MFM sur la même chaîne de NP20 et des modélisations numériques sont en cours pour confirmer cette hypothèse.
III.2.3 Conclusion
Un comportement magnétique collectif des NP20 dans la chaîne (couplage intra-chaîne) a été observé par MFM.
a b
ou ou
c
171 La microscopie à force magnétique et l’holographie électronique ont permis de mettre en évidence une configuration complexe des aimantations des NP20 au sein d’une chaîne isolée de NPs. Les aimantations des NP20 dans la chaîne semblent suivre une structure en hélice mais des caractérisations supplémentaires seront nécessaires pour confirmer ou infirmer cette hypothèse.
L’étude des cycles d’aimantation permettra de déterminer si ce couplage intra-chaîne induit une anisotropie des propriétés magnétiques de l’échantillon.