CONCLUSION

8.1

Synth`ese des r´esultats

Le travail pr´esent´e dans cette th`ese porte sur la compr´ehension des propri´et´es magn´etiques de nanoagr´egats ferromagn´etiques cristallographiquement orient´es et encastr´es dans une ´epicouche semi-conductrice. D’une part, une m´ethodologie exp´erimentale, bas´ee sur la ca- ract´erisation par magn´etom´etrie statique et par r´esonance ferromagn´etique, a ´et´e d´evelopp´ee. D’autre part, un mod`ele ph´enom´enologique des propri´et´es magn´etiques d’´epicouches SC:FM a ´et´e ´elabor´e pour interpr´eter le comportement magn´etique du syst`eme GaP:MnP. Ce syst`e- me a ´et´e choisi car le GaP, grˆace `a sa bande interdite large, est un semi-conducteur int´eressant pour le d´eveloppement de dispositifs magn´eto-optiques int´egr´es fonctionnant dans le spectre du visible. La m´ethodologie d´evelopp´ee a permis de mettre en lumi`ere l’impact de la struc- ture cristalline et des param`etres g´eom´etriques sur les propri´et´es magn´etiques des mat´eriaux granulaires SC:FM. En particulier, nos conclusions sur la nature, la taille et la texture cris- tallographique des agr´egats sont en accord avec les r´esultats des caract´erisations chimiques et structurales. Il a aussi ´et´e d´emontr´e que les propri´et´es magn´etiques des nanoagr´egats de MnP diff`erent des propri´et´es du MnP massif. Enfin, nous avons pu mettre en ´evidence l’effet de la temp´erature de croissance et de l’orientation du substrat sur la texture cristallographique des ´epicouches de GaP:MnP.

Il est important de mentionner que le d´eveloppement du proc´ed´e de croissance et la caract´erisation structurale et chimique du GaP:MnP ont ´et´e effectu´es en parall`ele avec la caract´erisation magn´etique. Tout au cours de la r´ealisation de cette th`ese, il y a eu une interaction dynamique constante entre l’auteur et le doctorant S. Lambert-Milot, responsable de la croissance et de la caract´erisation structurale et chimique du GaP:MnP.

Deux techniques de caract´erisation compl´ementaires ont ´et´e utilis´ees pour mesurer le comportement magn´etique : la spectroscopie de r´esonance ferromagn´etique (FMR) et la magn´etom´etrie `a ´echantillon vibrant (VSM). La caract´erisation exp´erimentale a ´et´e effectu´ee en fonction de plusieurs param`etres, comme la temp´erature des ´echantillons, la fr´equence de la radiation hyperfr´equence, l’angle et l’intensit´e du champ magn´etique appliqu´e, afin de mieux discriminer la meilleure interpr´etation physique parmi celles qui sont possibles.

Un spectrom`etre de r´esonance ferromagn´etique ultra-sensible a donc ´et´e mis en place par l’auteur afin de sonder les propri´et´es magn´etiques dans les hyperfr´equences. Une cellule `a effet Peltier nous a permis d’´etudier la r´esonance ferromagn´etique sur une plage de temp´erature au voisinage de la temp´erature ambiante (autour de la temp´erature de Curie). ´Egalement, une m´ethodologie bas´ee sur la magn´etom´etrie a ´et´e d´evelopp´ee `a l’aide d’un VSM afin de caract´eriser le comportement magn´etique quasi-statique et compl´eter les mesures FMR.

Les r´esultats obtenus par FMR ont d´emontr´e que les ´epicouches de GaP:MnP poss`edent une forte anisotropie magn´etique. Un mod`ele, bas´e sur la contribution magn´etique `a l’´energie libre de Helmholtz, a permis d’expliquer la d´ependance angulaire des champs de r´esonance observ´es par FMR en utilisant une anisotropie magn´etocristalline triaxiale et cristallogra- phiquement orient´ee par rapport `a la matrice de GaP. Ce r´esultat indique donc que les nanoagr´egats de MnP sont cristallographiquement orient´es selon certaines directions par rapport `a la matrice de GaP, ce qui a aussi ´et´e confirm´e par des mesures de figures de pˆole XRD. Nous avons d´emontr´e que l’interaction dipolaire entre les agr´egats est n´egligeable, ce qui implique que les propri´et´es magn´etiques globales du GaP:MnP proviennent essen- tiellement de la somme des propri´et´es magn´etiques individuelles des nanoagr´egats de MnP. La distribution des orientations cristallographiques des nanoagr´egats est donc un param`etre qui influence de fa¸con importante les propri´et´es magn´etiques globales des ´epicouches de GaP:MnP.

Nos r´esultats sugg`erent aussi que l’anisotropie magn´etique des nanoagr´egats de MnP est diff´erente de l’anisotropie magn´etocristalline du MnP massif. En particulier, la com- paraison du rapport des champs d’anisotropie H2/H1 obtenu `a partir du GaP:MnP avec

celui du MnP massif sugg`ere la pr´esence d’une contribution suppl´ementaire `a l’anisotropie magn´etocristalline des nanoagr´egats. Des calculs ont pu d´emontrer que l’effet de forme des agr´egats est faible et que l’interaction dipolaire entre les agr´egats est n´egligeable. Nous avons donc propos´e que l’anisotropie suppl´ementaire soit d’origine magn´eto-´elastique ou induite `a la surface des nanoagr´egats.

Il a aussi ´et´e d´emontr´e que la dispersion angulaire des nanoagr´egats autour d’une orien- tation cristallographique donn´ee est une contribution importante `a la largeur `a mi-hauteur des pics de r´esonance. Nous avons ainsi trouv´e que la temp´erature de croissance augmente la dispersion angulaire. De plus, comme l’aire des pics de r´esonance est proportionnelle au vo- lume du mat´eriel ferromagn´etique, alors la fraction volumique occup´ee par les nanoagr´egats pour chaque orientation cristallographique du MnP a pu ˆetre d´etermin´ee. Nous avons alors d´emontr´e que la temp´erature de croissance et l’orientation cristallographique du substrat influencent significativement la distribution des nanoagr´egats de MnP parmi les orientations cristallographiques. De plus, pour tous les ´echantillons ´etudi´es, les r´esultats indiquent que

lorsque la temp´erature est pr`es de TC, il y a une fraction ´elev´ee de nanoagr´egats qui de-

viennent superparamagn´etiques. Cette fraction varie selon la temp´erature de croissance des ´echantillons en accord avec la d´ependance de la distribution de taille des nanoagr´egats avec la temp´erature de croissance.

Finalement, la d´ependance en temp´erature des champs d’anisotropie, ´etudi´ee sur un domaine restreint autour de la temp´erature ambiante, sugg`ere que l’ordre ferromagn´etique des nanoagr´egats de MnP est plus fort que celui du MnP massif. De plus, les r´esultats indiquent que lorsque la temp´erature est pr`es de TC, il y a une fraction ´elev´ee de nanoagr´egats

qui deviennent superparamagn´etiques. Il est `a noter que notre spectrom`etre FMR est limit´e `a des temp´eratures d’op´eration autour de l’ambiante. Or, la pr´esence d’une temp´erature de blocage superparamagn´etique au voisinage de la temp´erature de Curie, elle-mˆeme avoisinant la temp´erature ambiante, complexifie consid´erablement l’analyse des r´esultats. Nous avons donc compl´et´e notre ´etude par des mesures magn´etom´etriques sur une plus grande plage de temp´erature.

L’´etude des propri´et´es magn´etiques des ´epicouches de GaP:MnP `a l’aide de la magn´etom´e- trie a permis de corroborer les r´esultats obtenus par FMR. Notamment, nous avons mod´elis´e la d´ependance angulaire de l’aimantation r´emanente `a des temp´eratures beaucoup plus basses que la temp´erature de Curie, ce qui nous a permis d’obtenir la distribution de nanoagr´egats parmi les orientations de l’axe-c du MnP et la fraction volumique occup´ee par la nanoagr´egats dans l’´epicouche pour diff´erentes orientations cristallographiques du substrat de GaP.

La d´ependance de l’aimantation en fonction de la temp´erature au voisinage de la tem- p´erature ambiante a clairement d´emontr´e qu’une fraction importante de nanoagr´egats de- viennent superparamagn´etiques lorsque la temp´erature s’approche de TC. En mod´elisant

la d´ependance de l’aimantation en fonction du champ magn´etique appliqu´e `a diff´erentes temp´eratures, nous avons pu d´eterminer la fraction de nanoagr´egats superparamagn´etiques en fonction de la temp´erature et du champ magn´etique appliqu´e. En supposant que les nanoagr´egats de MnP poss`edent une temp´erature de Curie plus ´elev´ee que celle du MnP massif, la d´ependance en temp´erature de l’aimantation r´emanente a pu ˆetre mod´elis´ee pour des ´echantillons ayant diff´erentes distributions de taille de nanoagr´egats, d´emontrant ainsi l’impact de la taille des nanoagr´egats sur les propri´et´es magn´etiques.

L’approche `a la saturation, pour diverses temp´eratures, ob´eit `a une loi du type 1/H2

0,

en accord avec l’hypoth`ese que les agr´egats sont monodomaines et s’aimantent par rotation coh´erente de l’aimantation. En supposant que le renversement de l’aimantation s’effectue aussi par rotation coh´erente et en utilisant une distribution de valeurs du champ coercitif des nanoagr´egats, nous avons mod´elis´e la courbe d’hyst´er´esis compl`ete d’un ´echantillon de GaP:MnP. Toutefois, le diam`etre moyen des nanoagr´egats utilis´e pour la mod´elisation est

approximativement deux fois plus petit que celui d´etermin´e par TEM, ce qui indique que le renversement de l’aimantation des nanoagr´egats ne s’effectue pas strictement par une rotation coh´erente des macrospins.

Les mesures de l’aimantation et du champ coercitif en fonction de la temp´erature ont d´emontr´e plusieurs particularit´es. ´Etant donn´e que ces particularit´es ont ´et´e observ´ees pour tous les ´echantillons ´etudi´es, nous avons propos´e qu’elles soient dues aux propri´et´es magn´e- tiques intrins`eques du MnP, comme par exemple, une transition de phase magn´etique.

8.2

Discussion des contributions principales

M´ethodologie exp´erimentale et mod`ele ph´enom´enologique

La combinaison des m´ethodes de caract´erisation utilis´ees pour caract´eriser le GaP:MnP (TEM, XRD, FMR et VSM) a permis d’´etablir le lien entre les propri´et´es structurales et les propri´et´es magn´etiques de fa¸con pr´ecise et sans ambig¨uit´e. Ceci a permis de d´emontrer que : (1) la d´ependance angulaire du champ de r´esonance des pics de r´esonance FMR permet de d´eterminer l’orientation cristallographique des nanoagr´egats par rapport `a la matrice hˆote, (2) la largeur `a mi-hauteur des pics de r´esonance FMR permet de mesurer la dispersion des axes cristallins des nanoagr´egats autour d’une orientation cristallographique pr´ef´erentielle, (3) l’aire des pics de r´esonance permet d’obtenir la fraction volumique de nanoagr´egats pour chaque orientation cristallographique et (4) la d´ependance angulaire de l’aimantation r´emanente (aussi appel´ee dispersion angulaire de l’anisotropie) permet d’obtenir la fraction volumique de nanoagr´egats pour chaque orientation cristallographique de l’axe facile. Parmi ces contributions, la m´ethode de la dispersion angulaire de l’anisotropie est int´eressante car elle permet d’avoir un acc`es rapide `a la distribution de fraction volumique des nanoagr´egats parmi les orientations cristallographiques. En cons´equence, l’effet des param`etres de crois- sance sur la texture cristallographiques des ´echantillons et leurs propri´et´es magn´etiques peut ˆetre mesur´e beaucoup plus rapidement qu’avec les mesures FMR et/ou XRD. La m´ethode de la dispersion angulaire de l’anisotropie magn´etique est maintenant une m´ethode bien ´etablie au laboratoire de magn´eto-´electronique pour guider le d´eveloppement de nouveaux ´echantillons.

La mod´elisation des r´esultats exp´erimentaux a requis l’´elaboration d’un mod`ele ph´eno- m´enologique suffisamment g´en´eral pour d´ecrire le comportement magn´etique du GaP:MnP. Notamment, l’introduction des angles Euler s’est av´er´ee n´ecessaire pour d´ecrire l’orientation de l’anisotropie magn´etocristalline des nanoagr´egats de MnP. ´Egalement, le mod`ele permet de prendre en compte les interactions dipolaires entre les nanoagr´egats ferromagn´etiques, ce