Préparation des échantillons

Les clichés de vue plane sont effectués sur une tricouche oxyde/métal/oxyde élaborée dans les mêmes conditions de dépôt que les multicouches. Le substrat est constitué d’une grille en cuivre sur lequel est déposée une membrane de carbone. Cette dernière cède généralement lors du dépôt entre les mailles de la grille de cuivre sous le flux d’atomes pulvérisés. De nombreuses régions résistent pourtant près de la maille de cuivre et sont scrutées au microscope électro- nique. La préparation est donc très simple pour obtenir des vues planes de couches métalliques granulaires sans artefacts de préparation. Cependant, on ne peut pas étudier l’influence du recuit avec des grilles de cuivre qui se détériorent à la chaleur (les grilles d’or sont plus résistantes mais n’ont été disponibles qu’en fin de thèse). De plus, il persiste un léger doute sur la correspondance exacte de la morphologie d’une couche granulaire en sandwich dans une tricouche et celle dans une multicouche. A ce jour, aucune différence sur les propriétés magnétiques de la couche granu- laire en tricouche et multicouche n’a été décélée. Vraisemblablement avec la possibilité de recuire les grilles substrats, on pourra s’attendre à des différences en raison de la formation de grosses particules. On suppose donc dans cette étude que la morphologie des couches granulaires dans les multicouches correspond à celle observée en vue plane par microscopie électronique (haute résolution ou imagerie chimique).

La préparation de l’échantillon pour une vue transverse consiste à couper l’échantillon sub- strat+dépôt en deux morceaux, puis à coller ces derniers de manière à ce que les multicouches soient face à face. L’ensemble collé est aminci par un polissage mécanique jusqu’à une épais- seur permettant de passer le relai à l’amincissement ionique. Les régions scrutées sont celles de faibles épaisseurs au bord des trous créés par l’amincissement ionique. Celui-ci est effectué à froid (T=77K) afin de limiter les dommages ou les modifications structurales (cristallisation par exemple) de l’échantillon lors de sa préparation en lame mince. Pour tous les échantillons étudiés au microscope, la structure multicouche était présente, avec un empilement périodique, sans modification de la période dans une direction particulière. A certains endroits, des défauts au niveau du substrat se répercutent sur la MD en entier. Le décalage selon la direction verticale s’intensifie à mesure que l’on se rapproche de la surface (cf. figure 4.11). Le cliché de la figure (4.7) représente 10 périodes de la multicouche [Fe 15.5Å/ZrO 38Å]☎

✂

. Après plusieurs tenta- tives de préparation, ce cliché permet de montrer que la couche continue de fer est amorphe. Les clichés précédents, effectués sur la même multicouche amincie à température ambiante ou

sous un flux ionique un peu plus important, comportaient à l’évidence de grandes zones de fer cristallisé.

4.3.2 Multicouches Fe et Co/ZrO

Les clichés de microscopie électronique en imagerie chimique permettent de suivre l’évolu- tion dans ZrO de couches métalliques granulaires brut de dépôt avec l’épaisseur de fer déposée e✄✝✆ (figure 4.8) et celle de cobalt e✞✂✁ (figure 4.10). Ces clichés sont obtenus sur des tricouches appartenant aux secondes séries.

Pour e✄✝✆=6.3Å, la couche de fer (contraste clair) est discontinue et formée de particules non sphériques (figure4.8). La couche de fer est donc discontinue. Pour e✄✝✆ =9.3Å, la couche est en- core apparemment discontinue. Cependant, la concentration métallique doit être proche de la concentration critique de percolation. En effet sur la petite région observée, plusieurs chemins continus de fer sont visibles. Pour e✄✝✆ =12.4Å, le dépôt de fer n’est plus granulaire, mais lacu- naire. De nombreuses inclusions de ZrO apparaissent au sein de la couche continue de fer.

Ces trois clichés montrent que le fer croît spontanément en îlots sur la surface de ZrO lors du dépôt par pulvérisation cathodique. La croissance semble être de type Volmer-Weber, sans orga- nisation particulière des particules. Vraisemblablement, les sites de nucléation se localisent sur les défauts de la matrice de ZrO . A mesure que la quantité de fer déposée augmente, les par- ticules s’élargissent, deviennent encore moins sphériques, moins compactes mais filandreuse, pour former un chemin de percolation (e✄✝✆ =12.4Å). Le seuil de percolation 2D de la couche de fer se situe probablement vers e✄✝✆ =9-10Å.

Le cliché de la figure (4.9) correspond à la vue transverse d’une multicouche recuite à 600☛ C ayant une épaisseur de fer déposée supérieure à celle correspondant à la percolation des couches de fer brutes de dépôt. Compte tenu de la résolution de l’imagerie chimique, la rugosité appa-

50Å

50Å

FIG. 4.7 – Vue transverse par mi- croscopie électronique à haute réso- lution d’une MD [Fe 15.5Å/ ZrO✁

38Å]✠✝☎ brute de dépôt. La région pho-

tographiée ne présente que 10 pé- riodes sur les 40. Les couches de fer en contraste foncé sont apparemment continues. L’agrandissement du cliché montre qu’il n’y a pas d’arrangements cristallins des atomes de fer. Cette observation est confirmée quelle que soit l’orientation de la lame mince de l’échantillon par rapport au faisceau électronique. L’intensité tachetée à la fois des couches de métal et d’oxyde (contraste plus clair) est caractéristique d’une structure atomique amorphe.

e_Fe=6.3Å

9.3Å

12.4Å

100 Å

FIG. 4.8 – Cartographie chimique du fer sur des vues planes de tricouches ZrO✁ /Fe/ZrO✁ brutes de dépôt en

fonction de l’épaisseur de fer déposé e✄ ✂pour une épaisseur de ZrO✁ de 47Å. Les tricouches appartiennent à la

seconde série Fe/ZrO✁ (v✄ ✂ =0.5Å/s). Le fer est en contraste clair et la matrice de ZrO✁ en contraste sombre. Pour

e✄ ✂ = 6.3 et 9.3Å, on peut estimer que les distances entre les îlots bord à bord sont de l’ordre de 20 et 25Å.

rente sous forme d’ondulation des couches de fer correspond à celle de couches discontinues. Pour les deux vues planes de tricouches ZrO /Co/ZrO brutes de dépôt (figure4.10) , les évolutions sont semblables à celles observées pour le système Fe/ZrO . Pour e✞✂✁ =7.8Å, la couche de cobalt discontinue, formée de petites particules grossièrement sphériques (D<50Å) et de par- ticules plus grosses et de formes plus complexes. Les dernières particules semblent résultées de l’agrégation des plus petites particules sphériques. Pour e✞✂✁ =9.8Å, la couche de cobalt demeure

50Å

FIG. 4.9 –Cartographie chimique du fer sur une vue transverse d’une multicouche [Fe 13.4Å/ZrO✁ 31Å] recuite à

100 Å

e

=7.8Å

9.8Å

FIG. 4.10 – Cartographie chimique du cobalt sur des vues planes de tri- couches ZrO✁ /Co/ZrO✁ brutes de dé-

pôt de la seconde série (v✂✁ =0.5Å/s) en

fonction de l’épaisseur de cobalt dépo- sée e✂✁ pour une épaisseur de ZrO✁ de

41Å. Le cobalt est en contraste clair et la matrice de ZrO✁ en contraste foncé.

Les distances bord à bord sont estimées entre 25 et 30Å.

discontinue, constituée de particules allongées. Cette épaisseur semble proche de l’épaisseur cri- tique de percolation électrique vraisemblablement supérieure à 10Å.

4.3.3 Multicouches Co/SiO

Deux clichés de vues transverses ont été effectués en microscopie électronique à haute résolu- tion (figure4.11) . Ils correspondent à la multicouche discontinue [Co 15.3Å/ SiO 43Å] ✂

recuite à 400 et 600☛ C. Le cobalt (contraste sombre) forme des plans d’agrégats dans les deux cas. En raison de la projection de la densité électronique dans le plan de coupe, les couches d’agrégats peuvent apparaître à première vue continues. L’examen attentif de ces couches indique qu’elles se composent d’agrégats situés à des profondeurs différentes (figure 4.12). Les particules sont cristallisées avec un diamètre entre 20 et 30Å sans texture préférentielle, tandis que la matrice de SiO est amorphe.

Pour l’échantillon recuit à 400☛ C (figure4.11), les particules sont remarquablement alignées de manière à ce que chacune d’elles se trouve au-dessus du centre de deux autres (région A). Cette organisation peut être observée dans [Dien 98] pour le même système et a été remarquée dans les multicouches Co/Al O☞ élaborées dans des conditions proches des multicouches de cette étude [Babo 00b] (En raison de l’épaisseur de la lame mince de plusieurs centaines d’Å, les réseaux se superposent.). Par une coïncidence sur la valeur de période (épaisseur de la couche de métal et d’oxyde), le réseau dans la région B est proche d’un hexagone. Les couches granulaires semblent de plus onduler selon la direction perpendiculaire aux plans des couches (région C).

L’échantillon recuit à 600☛ C présente encore remarquablement la structure périodique avec des particules grosses (50Å de diamètre) (région D). Les particules sont globalement sphériques et semblent également s’organiser localement de manière à ce que l’une soit au-dessus de deux autres.

Les sept autres clichés présentés (figures4.13,4.14 et4.15) concernent des vues planes obte- nues sur des tricouches Co/SiO avant le début de cette thèse. Ils confirment la structure discon- tinue d’un dépôt de cobalt sur de la silice amorphe et une croissance de type Volmer-Weber. En augmentant l’épaisseur de cobalt déposée e✞✂✁ , les agrégats de cobalt (en blanc) deviennent plus gros et moins sphériques (figure4.13). Sans l’influence des autres couches de cobalt et de SiO présentes dans une multicouche, le seuil de percolation 2D dans une tricouche est vraisembla-

400°C

600°C

A

B

C

D

100 Å

100 Å

FIG. 4.11 –Clichés de microscopie électronique en transmission à haute résolution de MD [Co 15.3Å/ SiO✁ 43Å]✁☎

pour des recuits effectués à 400 et 600 C. Le cobalt est en contraste sombre et la matrice de SiO✁ en contraste clair. Les

blement proche de e✞✂✁ =20Å.

Après un recuit à température modérée, les grandes particules filandreuses se scindent en particules plus petites (figure 4.14b). Après un recuit à température plus élevée, comparable à un recuit thermique effectué sous bombardement électronique, les particules deviennent plus compactes et tridimensionnelles (figure4.15). Lors de la phase de coalescence , les petites parti- cules se joignent pour former de plus grandes (figure 4.14c). Le nombre de particules par unité de surface et la surface de SiO recouverte par le cobalt diminuent.

50 Å

FIG. 4.12 – Agrandissement de la vue transverse de la multicouche [Co 15.3Å/ SiO✁ 43Å]✁☎ recuite à 400 C. De

nombreux agrégats sont sphériques, entre 20 et 30Å de diamètre. Les agrégats sont tous cristallisés apparemment sans texture préférentielle. La taille des agrégats et la distance bord à bord peut être estimée à 30Å.

e_Co=16Å

20Å

FIG. 4.13 –Vues planes en haute résolution de tricouches SiO✁ /Co/SiO✁ brutes de dépôt en fonction de l’épais-

seur de cobalt déposée e✂✁ . L’épaisseur de SiO✁ est de 200Å. Le cobalt et la matrice de SiO✁ sont respectivement en

FIG. 4.14 –Cartographies du cobalt en vue plane dans les tricouches SiO✁/Co e✂✁ =18Å/SiO✁ : (a) à l’état brut, (b)

recuit ex situ à température modérée✁ 300 C,et (c) recuit in situ sous faisceau électronique à T

☎

✁ 300 C.

e_Co=20Å

Brut

Recuit ~300° C

FIG. 4.15 –Vues planes en haute résolution de tricouches SiO✁/Co/SiO✁ brute de dépôt et recuite sous le faisceau

électronique (température de recuit estimée à 300 C). L’épaisseur de cobalt déposée est de 20Å et celle de SiO✁ de

Résumé

A partir des clichés de microscopie électronique, nous avons la confirmation de la structure discontinue et périodique des multicouches. La morphologie des couches de métal dépend de la matrice d’oxyde, de l’épaisseur de métal déposé, e✌ , et du traite- ment thermique.

Dans le cas de Fe/ZrO , à l’état brut de dépôt, le fer en couche continue et la zir- cone peuvent être amorphes. Le cobalt dans Co/SiO est cristallisé, sans texture préfé- rentielle.

A l’état brut de dépôt, le fer et le cobalt croissent en îlots sur les oxydes de SiO et ZrO . Les agrégats de métal sont petits et sphériques pour les petites valeurs de e✌ . La fraction de surface d’oxyde recouvert par le métal augmente avec l’augmentation de e✌ . Le seuil de percolation se situe autour de e✌ =10Å pour la couche de fer ou cobalt déposée sur ZrO et de e✞✂✁ =20Å pour le cobalt déposé sur SiO . Sur la même matrice de ZrO , l’épaisseur de percolation est légèrement plus faible pour le fer que pour le cobalt.

Le recuit thermique permet de former des particules larges, plus compactes et es- pacées. Même après un recuit à 600☛ C, l’empilement périodique initial des agrégats est conservé. Les matrices de ZrO et de SiO assurent donc une cohésion mécanique suf- fisante pour empêcher la détérioration de l’empilement. Elles permettent aussi d’éviter la formation de ponts métalliques entre deux couches métalliques adjacentes lorsque les particules sont petites. Dans Co/SiO , les agrégats de cobalt peuvent s’organiser de manière remarquable à courte distance.

4.4 Diffusion X aux petits angles en incidence rasante

L’organisation de l’élément magnétique a été étudiée à l’échelle d’au moins une dizaine d’Å à l’aide de la diffusion aux petits angles en incidence rasante. Les figures de diffusion des mul- ticouches Fe et Co/ZrO sont similaires. Elles varient aussi de manière semblable avec le trai- tement thermique et l’épaisseur du métal déposée. Nous les présentons donc en commun dans la première partie. Dans la seconde partie, nous traiterons des figures de diffusion obtenues sur le système Co/SiO qui comportent des motifs très marqués. Nous proposons un modèle mor- phologique de l’organisation locale des particules permettant d’expliquer les taches de diffusion observées.