Rappelons que les constantes d’anisotropie K1 et K2 dans CoO sont respectivement de l’ordre de
2,7.108erg.cm−3et 2.105erg.cm−3[Moc00].
Puisque la couche CoO est parfaitement orientée (111), il est intéressant de regarder comment s’éta- blit le couplage d’échange lorsque le champ est appliqué dans un plan facile (c’est à dire le plan de l’échantillon) ou alors selon une direction difficile (la direction [111], normale à l’échantillon). On commence la discussion par les courbes d’aimantation mesurées dans le plan de l’échantillon.
a Résultats expérimentaux
Nous présentons sur les figuresIII.9etIII.10les cycles d’aimantation mesurés respectivement sur des assemblées de particules Co et Ni60Cu40après un refroidissement sous un champ de +30 kOe dans
la direction de mesure. On remarque que l’aimantation à saturation de l’assemblée d’agrégats Co est celle du matériau massif (1400 emu.cm−3). Pour ce qui est des particules Ni60Cu40, elle est la même
que pour une assemblée d’agrégats dans une matrice d’alumine (100 emu.cm−3). Ces résultats montrent
que l’aimantation mesurée dans le plan vient uniquement des agrégats et il n’existe pas de contribution de spins non compensés ou libres dans CoO.
Nous avons observé que quel que soit l’azimut dans lequel on mesure l’aimantation dans le plan (111), les courbes sont sensiblement les mêmes. Une étude du couplage d’échange de film mince FeNi (111) / CoO (111) a montré une légère variation de Hben fonction de l’azimut (de l’ordre de 15 Oe)
[Now07]. `A partir de nos mesures, nous ne pouvons pas confirmer de si petites variations du fait de la résolution. On peut expliquer la faible variation de Hbavec l’azimut par le fait que les plans CoO
(111) contiennent trois domaines S, ce qui conduit à une symétrie d’ordre 6 dans l’orientation des spins AF. De plus, la barrière d’énergie d’anisotropie dans le plan est faible. Pour ce qui est de l’assemblée d’agrégats, nous avons vu dans le chapitre I que les axes d’anisotropie des particules sont par défauts répartis de manière aléatoire dans le plan.
Pour les particules Co, nous comparons sur la figureIII.9les courbes mesurées après un refroidisse- ment sous champ de +30 kOe et sans appliquer de champ. Le cycle ’zfc’ n’est pas décalé. On observe un faible décalage du cycle ’fc’ de 0,15 kOe et une légère augmentation du champ coercitif de 0,15 kOe.
Notons que le champ coercitif du cycle ’zfc’ est de 1,45 kOe alors qu’il est d’environ 0,84 kOe pour des agrégats Co dans une matrice non magnétique et pour la même quantité[Por06]. Pour les particules Ni60Cu40, on remarque sur la figureIII.9(b) que le décalage est de 0,1 kOe pour un champ coercitif de
0,25 kOe alors que celui-ci est de 0,1 kOe pour des agrégats Ni60Cu40dans une matrice d’alumine. Le
rapport des champs coercitifs mesurés pour des agrégats couplés à CoO et dans un environnement non magnétique est sensiblement le même pour les agrégats Ni60Cu40et Co.
Le couplage d’échange F/AF se manifeste donc à la fois par un décalage du cycle d’aimantation lorsque le système est refroidi sous champ magnétique et une augmentation significative de la coercivité même en l’absence de champ appliqué lors du refroidissement. La contribution uniaxiale à l’anisotropie
d’échange peut être reliée à la rotation des spins de AF dans le plan (111). Comme nous l’avons déjà mentionné, la constante K2 dans CoO est faible. La rotation de l’aimantation de F entraîne celle des
moments de AF par le couplage d’échange.
Le décalage des cycles d’aimantation, que ce soit pour les assemblées d’agrégats Co et Ni60Cu40,
résulte nécessairement d’une force de rappel. On peut expliquer la plus grande coercivité et le déca- lage d’échange observés par la création d’une paroi de domaine parallèle à l’interface F/AF telle que proposée dans les modèles de Stiles ou Mauri[Sti99] [Mau87].
FIG. III.9 – Courbes d’aimantation à 6 K d’une assemblée de particules Co déposée sur CoO (111).
La courbe ’fc’ à été mesurée après refroidissement sous un champ magnétique de +30 kOe. Concernant la courbe ’zfc’, le refroidissement a été effectué sans appliquer de champ. La ligne en trait discontinu indique l’aimantation à saturation de Co à l’état massif (1400 emu.cm−3). (b) est un zoom de (a) autour de H = 0.
b Modélisation du retournement d’aimantation dans le plan
D’après les courbes d’aimantation dans le plan présentées plus haut, on ne peut pas savoir si le couplage est de type ferromagnétique ou antiferromagnétique et si la surface est magnétiquement com- pensée ou non.
Sous la particule, on suppose que les spins contenus dans un volume AF se retournent partiellement avec l’aimantation de F.
Pour illustrer le retournement, on choisit un plan (111) parfaitement non compensé et un couplage F à l’interface F/AF. AF1et AF2sont les deux sous réseaux antiparallèles de AF avec AF1en surface.
Dans la couche CoO, on distingue une zone proche de l’interface où l’ordre magnétique AF est perturbé par le couplage et une zone plus éloignée de la surface dans laquelle les spins AF ne sont pas sensibles au retournement de l’aimantation de F. La figureIII.11illustre la configuration des spins dans F et à la surface de AF lors d’un balayage en champ.
III 4. LES AGRÉGATS (F) DÉPOSÉS SUR COO(111) ÉPITAXIÉ
FIG. III.10 – Courbes d’aimantation à 6 K d’une assemblée de particules NixCu1−x déposée sur CoO (111) ou dans une matrice d’alumine. Les deux courbes d’aimantation ont été mesurées après re- froidissement sous un champ magnétique de +30 kOe. La ligne en trait discontinu correspond à une aimantation à saturation de 100 emu.cm−3. (b) est un zoom de (a) autour de H = 0.
`A l’état saturé positif ’A’, les spins F sont alignés sur la direction du champ appliqué H, tout comme les spins AF1. Les spins AF2 sont orientés de manière antiparallèle aux spins AF1. L’ordre AF est in-
changé.
`A champ nul ’B’, les spins F commencent à être sensibles à leur anisotropie. L’aimantation MFest
alors répartie dans un cône autour de la direction du champ.
Lorsque H = Hc ’C’, MFest nulle, les spins F sont orientés en fonction de leur anisotropie et des
spins AF1.
`A l’état saturé négatif ’D’, les spins F sont alignés sur la direction du champ appliqué, tout comme les spins AF1. Une frustration existe entre les spins des sous-réseaux AF à l’interface et l’ordre magnétique
du volume. Cette frustration est répartie dans un petit volume AF sous l’agrégat.
Notons que le même raisonnement pourrait être fait avec une surface parfaitement compensée et l’existence d’un spin-flop dans AF. Les spins F seraient alors couplés par échange au moment résultant. c ´Evaluation du volume AF dans lequel les spins se retournent
`A partir des courbes d’aimantation mesurées ainsi que de l’interprétation des manifestations du couplage que nous venons de proposer, il est possible de déterminer un volume dans AF dans lequel les spins se retournent partiellement. Nous utilisons pour cela l’augmentation de Hc, notée ∆Hc, et qui
s’exprime sous la forme :
∆Hc = Ha =2KAFVAF
FIG. III.11 – Retournement d’aimantation dans le plan. Les schémas du haut montrent la configuration
des spins dans le plan CoO (111) à différents stades du retournement d’aimantation de F. `A l’état saturé, son aimantation est représentée par une flèche. Au cours du retournement d’aimantation, MFest réparti
sur un domaine d’angles. Les traits pleins indiquent les directions faciles de AF et en traits discontinus, les directions de type [1¯10]. AF1 est le sous-réseau en surface et AF2 est le sous-réseau directement
sous la surface et couplé AF avec AF1. Les deux schémas de part et d’autre du cycle d’aimantation
correspondent aux configurations à saturation. La croix symbolise un état de frustration magnétique qui crée une force de rappel.
III 4. LES AGRÉGATS (F) DÉPOSÉS SUR COO(111) ÉPITAXIÉ
Pour VAF , on suppose une demi-sphère de rayon RAF délimitant un volume sous un agrégat. En
prenant pour KAFla valeur de K2, et une particule F de 4 nm de diamètre, on trouve les valeurs suivantes :
– Agrégats Co : RAF= 3,2 nm,
– Agrégats Ni60Cu40 : RAF= 0,8 nm.
Dans la limite où la densité de particules est suffisamment grande pour que le retournement de AF se fasse de manière cohérente sur une épaisseur tAFhomogène sur toute la surface de l’échantillon (0,25
cm2), on trouve :
– Agrégats Co : tAF= 5,5 nm,
– Agrégats Ni60Cu40 : tAF= 0,1 nm.
Ces valeurs sont relativement faibles. L’ordre magnétique de la couche AF reste donc inchangé sur une plus grande partie de la couche CoO.