Etude de propriétés structurales et magnétiques des couches minces ferromagnétiques à base de métaux de transition

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République Algérienne Démocratique et Populaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université Ferhat Abbas Sétif1 (UFAS)

THÈSE

Présentée à la Faculté des Sciences, Département de Physique Pour l’obtention du diplôme de

Doctorat ès science

Option : Physique du Solide

Par: Intissar DJOUADA SUJET :

Etude de propriétés structurales et magnétiques des couches minces ferromagnétiques à base de métaux de transition

Soutenue publiquement le 26/11/2012 Devant le jury:

Président : M. L. KERKACHE Professeur, UFAS, Sétif.

Rapporteur: M. A. KHARMOUCHE Professeur, UFAS, Sétif.

Examinateurs: Mme. N. KEGHOUCHE Professeur, UMC, Constantine.

M. D. DJOUADI Professeur, UAM, Béjaïa.

M. A. CHELOUCHE M.C.A., UAM, Béjaïa.

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Dédicaces

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 A mes très chers parents.

Dédicaces

J

e dédie ce modeste travail :

 A toute ma famille.

 A tous mes amis.

 Enfin à tous ceux que j’aime et qui m’aiment.

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Remerciements

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Remerciements

e travail de thèse a été réalisé au sein du laboratoire d'Etudes des Surfaces et Interfaces des Matériaux Solides (LESIMS) de l’Université Ferhat Abbas de Sétif.

Mes premiers remerciements se dirigent tout naturellement vers mon Directeur de thèse, Professeur A. KHARMOUCHE, pour m’avoir accueillie dans son équipe, pour tous ses conseils et ses compétences, et finalement pour m’avoir communiqué sa passion pour la recherche scientifique. Je tiens à lui exprimer ma plus vive reconnaissance. Je souhaite également le remercier pour tout ce qu’il a fait pour moi pendant ces années passées ensemble, depuis l’encadrement de mon mémoire de magister, que ce soit en recherche et en enseignement, son aide précieuse, sa disponibilité et toute sa gentillesse.

Mes remerciements s’adressent aussi à Monsieur L.KERKACHE, Professeur à l’Université Ferhat Abbas de Sétif, pour l’honneur qu’il m’a fait d’avoir accepté de présider le jury.

Je remercie aussi Madame N. KEGHOUCHE, Professeur à l’Université Mentouri de Constantine, pour avoir accepté de juger ce travail.

Je tiens également à remercier Monsieur D. DJOUADI, Professeur à l’Université Abderrahmane Mira de Béjaïa, pour avoir accepté de juger ce travail.

Un grand merci également à Monsieur A. CHELOUCHE, Maître de Conférences A à l’Université Abderrahmane Mira de Béjaïa, pour avoir accepté de juger ce travail.Je le remercie sincèrement aussi pour sa disponibilité et sa gentillesse durant ma première année de recrutement à l’Université de Béjaïa. Vraiment j’y ai vécu dans une atmosphère familiale.

Je remercie aussi Messieurs A. Guittoum, Maître de Recherche, et M. Saad, Attaché de Recherche au Centre de Recherche Nucléaire d’Alger, pour leur assistance dans les expériences de RBS.

c

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Remerciements

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Un grand merci aussi à Monsieur G. Schmerber, Ingénieur de Recherche à l’IPCMS de Strasbourg, pour sa disponibilité entière dans les mesures de DRX et de magnétométrie AGFM.

Je terminerai en remerciant Monsieur S-M.Chérif, Professeur à l’Université Paris 13 et Responsable de la BLS, d’avoir contribué à ce travail par l’obtention des images AFM.

Mille mercis à vous tous. Sans vous, cette thèse ne serait pas ce qu'elle est.

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Sommaire

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Sommaire

 Introduction et état de l’art

 Chapitre 1 : Généralités sur le magnétisme

 Chapitre 2 : Techniques expérimentales

 Chapitre 3 : Choix des conditions expérimentales et propriétés structurales

 Chapitre 4 : Propriétés magnétiques et corrélation structure/magnétisme

 Conclusion générale

 Annexes

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Introduction et état de l’art

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«There is plenty of room at bottom » Richard Feynman

Introduction et état de l’art

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Introduction générale

Stocker toutes les informations reçues par une personne durant toute sa vie, et pouvoir les retrouver facilement au besoin, un rêve qui a conduit l’enregistrement des donnés à des découvertes technologiques formidables, que ce soit pour le stockage optique, électronique ou bien magnétique. En effet, le couple enregistrement et reproduction devient aujourd’hui le projet principal dans les grandes entreprises de stockage de l’information (IBM, Toshiba, Acer, Apple, Samsung…)

La technologie moderne dans le domaine du magnétisme, comme dans nombre d’autres domaines de recherches, est très marquée par le préfixe nano.

La fameuse expression de Richard Feynman : « there is plenty of room at bottom » ou « il y a beaucoup de pièces en bas », traduit fidèlement l’intérêt du passage de l’échelle du millimètre à l’échelle du nanomètre, ce qui donne naissance à de nouvelles propriétés mises en évidence par de nouvelles technologies. Plusieurs formes sont envisagées pour réduire la taille des matériaux; parmi ces formes les couches minces. Une couche mince est une mise en forme du matériau dont une dimension, l’épaisseur, est réduite. Cette forme nouvelle du matériau présente des propriétés et comportements différents (électriques, optiques, magnétiques, mécaniques ……), par rapport aux matériaux massifs dont elle est constituée. D’où l’importance d’étudier les couches minces, soit pour une étude fondamentale, soit pour des besoins d’applications technologiques [E. L. Wolf-04].

Les propriétés des couches minces sont très sensibles aux méthodes et aux conditions d’élaborations (la température, la pression, le temps et la vitesse d’élaboration...). Aussi, la réduction de la dimensionnalité des échantillons produit des effets de surface et d'interface qui sont à l'origine de nouvelles propriétés, telles les variations de la température de Curie avec l'épaisseur, l'anisotropie magnétique perpendiculaire, la magnétorésistance géante… D'un autre côté, à l’échelle dite mésoscopique, qui est le domaine d’épaisseur de nos échantillons, les propriétés magnétiques dites

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"techniques" (coercivité, rémanence, susceptibilité magnétique, ...) sont très sensibles à la structure de l'échantillon (taille des cristaux, distribution des défauts, des tensions internes, la phase, la qualité et l'orientation cristalline des couches réalisées,...). Ces propriétés peuvent varier de plusieurs ordres de grandeur, en fonction du traitement thermique et mécanique (recuit, trempe, etc.) subit par l'échantillon [P. Bruno-89]. C'est pourquoi une étude très soignée des différents paramètres d’élaboration, associés à la croissance des films minces est nécessaire pour avoir une explication claire des propriétés magnétiques.

L’une des utilisations majeures des matériaux magnétiques, et plus précisément les matériaux ferromagnétiques, réside dans le stockage magnétique de l’information. Depuis quelques années, la densité de l’enregistrement magnétique dit parallèle (LMR) subit une remarquable évolution.

Malheureusement, la limite superparamagnétique a bloqué cette évolution, en deçà de 100 Gbit/in² (ce phénomène sera passé en revue dans le premier chapitre). Parmi les solutions proposées pour éviter cette limite, on distingue le mode d'enregistrement magnétique perpendiculaire (PMR) qui donne une autre approche possible vers les très hautes densités de stockage (Térabit/in²

Une augmentation des capacités de stockage nécessite une réduction de la taille des bits d’information. Ces dernières années, l'enregistrement magnétique longitudinal semblait devoir atteindre ses limites, en raison d'une part de l'instabilité des bits planaires, et d'autre part, des difficultés de

). Il existe deux types de stockage magnétique perpendiculaire: simple-couche (single-layer) et double-couches magnétiques (double magnetic layer) [M. Futamoto-01].

Le media d'enregistrement doit posséder des propriétés particulières. Premièrement, une forte coercivité afin d’obtenir une bonne stabilité des données dans le temps. Deuxièmement, un fort signal pour maximiser le signal de lecture (réduction des erreurs, faible temps d'adressage). Troisièmement, une aimantation perpendiculaire et une forte rémanence pour que la structure en domaine persiste.

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détecter des signaux de lecture très faibles. En effet, il est impossible de diminuer la taille des grains au- delà d’une dimension critique, la limite superparamagnétique. L’aimantation des grains, de taille inférieure à cette limite, devient instable par rapport aux fluctuations thermiques à température ambiante. Ainsi la stabilité temporelle des données enregistrées n’est plus garantie. De plus, la réduction en taille latérale entraîne une augmentation conséquente du champ démagnétisant [J. Buschow-04].

Toutes ces difficultés physiques et technologiques sont réduites ou supprimées de façon naturelle ou structurelle en mode perpendiculaire.

Les matériaux les plus étudiés dans ce domaine sont les alliages Cobalt-Chrome, Co-Cr.

[S. Iwasaki-77]. Le cobalt Co (matériau ferromagnétique) a une grande énergie d’anisotropie magnétocristalline uniaxiale. Les alliages à base de cobalt ont une importance pratique et économique considérable, en particulier les alliages cobalt- métaux de transition, de là ils peuvent être utilisés dans l’enregistrement perpendiculaire. Néanmoins, il est fondamental que les films aient un champ d’anisotropie comparable au maximum du champ démagnétisant 4𝜋𝜋𝑀𝑀_𝑠𝑠; pour cette raison, il est nécessaire d’ajouter un autre métal pour réduire l’aimantation à saturation 𝑀𝑀_𝑠𝑠^R

Les propriétés magnétiques des couches minces de CoCr sont fortement liées à la microstructure des films. Il est bien établi que les substrats peuvent être employés pour améliorer les propriétés du media à haute densité dans le stockage magnétique perpendiculaire ou longitudinal.

et garder l’axe c orienté perpendiculairement à la surface du film. Le métal choisi pour l’addition est le chrome Cr (matériau antiferromagnétique), car l’alliage Co-Cr présente une phase hexagonale compacte (h.c.p) stable avec l’addition d’une petite quantité de Cr, en même temps qu’une aimantation à saturation plus petite [S. Iwasaki-80]. Notons ici que l’alliage CoCr peut être utilisé aussi dans l'enregistrement magnétique longitudinal [Z.-M. Li-87].

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Les alliages à base de Co sont mis en œuvre dans de nombreuses applications. Ils peuvent être utilisés avec les métaux de terre rare dans les alliages ternaires comme de bons candidats dans la technologie des spin-valve [H. Kanai-98].

Les alliages CoCr ont été étudiés par de nombreux chercheurs, par différentes méthodes de déposition et sur différents substrats. Les propriétés magnétiques et structurales des films de Co et d’alliage à base de Co sont très sensibles aux paramètres suivants: l’épaisseur de la couche magnétique, la nature et la température du substrat, la concentration des composés binaires (ou ternaires), le mode de croissance de la couche magnétique...

L’effet du substrat sur les couches de CoCr a été intensément étudié, tant pour l’influence de sa structure, amorphe ou cristalline, que pour sa température. L’effet de la température du substrat a été mis en évidence par Z-M. Li et al., sur l’alliage Co80Cr20 déposé par pulvérisation. Ils ont observé un changement de morphologie, de rémanence et d’anisotropie des couches déposées sur des substrats chauds (T=200°C), de même qu’un champ coercitif très élevé par rapport à celui mesuré sur des couches déposées sur des substrats non chauffés (T = 25°C). Aussi, l’effet de la nature du substrat sur le champ coercitif et l’anisotropie a été mis en évidence. Ils ont observé que des films de CoCr déposés sur un substrat de Ti ou de NiCr (structure hcp) possèdent des champs coercitifs beaucoup plus grands que ceux déposés sur Verre. T.Manago et al

.

ont fait basculer l’anisotropie planaire vers une anisotropie perpendiculaire en remplaçant un substrat de GaAs par un substrat de Al₂O₃/GaAs(100)

[

^{T. Manago-}

05]. B.G.Demczykt et al. ont synthétisé l’alliage Co₇₈Cr₂₂/Verre par pulvérisation DC. Ils ont noté que l’axe de facile aimantation est dans le plan des films lorsque l’épaisseur n’excède pas 50 nm et qu’il sort du plan pour des épaisseurs plus grandes [B G Demczykt-91].

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Patrick Bruno a publié une thèse de Doctorat, considérée comme une bonne référence en magnétisme, sur des couches ultra minces de Au/Co/Au. Il a montré qu’une grande anisotropie à l’interface entre les couches de Co et Au, pour des épaisseurs de Co inférieures à 11 Ǻ, est responsable du basculement de l’axe d’anisotropie perpendiculairement au plan du film [P. Bruno-89].

Par ailleurs, la teneur en chrome influe considérablement sur les propriétés magnétiques des couches CoCr. Dans la littérature, un grand nombre de travaux porte sur des couches minces de concentrations de Cr inférieures à 25%, vu qu’il a été observé par de nombreux chercheurs que l’alliage CoCr devient non magnétique au delà de cette concentration [K. Hemmes-88, M.Watanabe-96, M.

Almasi-kashi-02].

Des couches minces de CoCr ferromagnétiques à forte concentration de chrome ont été reportées dans la littérature. En effet, M.Hong et al. ont mentionné que des couches de CoCr, déposées par pulvérisation à 200°C, sont restées ferromagnétiques jusqu’à une concentration de 47% de Cr [M.Hong- 86]. De même, des couches minces de CoCr ont été déposées par évaporation sous vide dans notre laboratoire ; ces couches demeurent ferromagnétiques jusqu’à une concentration de 45% de Cr [A.Kharmouche-07].

Les traitements thermiques sont des procédés très importants pour améliorer les paramètres magnétiques dans l’enregistrement magnétique perpendiculaire (PRM). K. Yamanaki et al. montrent que la coercivité et la rémanence augmentent après un recuit d’un alliage à base de CoCr à une température de 500°C pendant 30 min [K. Yamanaka-01]. Aussi S. Honda et al. ont étudié l’effet d’une température de 400°C sur des films CoCr préparés par pulvérisation radio fréquence RF. Ils ont constaté une augmentation du champ coercitif perpendiculaire, de l’aimantation à saturation et de l’anisotropie magnétique [S.Honda -84]. Le même effet est reporté par Y.Hirayama et al., mais sur des alliages à base

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de CoCr déposés par pulvérisation cathodique DC, et recuits à une température de 500°C pendant une heure [Y. Hirayama -00].

Par recuit à une température de 450°C pendant 4 heures des multicouches Co/Cr, A. Chiolerio et al. ont observé une remarquable augmentation du champ coercitif de 10 Oe à 240 Oe [A. Chiolerio-09].

Tout cela montre que les propriétés magnétiques des couches minces de CoCr dépendent étroitement des conditions d’élaboration et des traitements subits.

Comme il a été souligné dans les premiers paragraphes, le principe de l’enregistrement perpendiculaire PMR (Perpendicular Magnetic Recording) a été expliqué pour la première fois par le Professeur Shun-Ichi IWASAKI en 1977 à Tohoku (Institute of Technology) au Japon, mais le premier disque commercial

Dans le cadre de ce travail de thèse, l’une des problématiques principales, est d’étudier les effets de la température du recuit sur les propriétés structurales et magnétiques de l’alliage CoCr sous forme de couches minces, préparé par évaporation sous vide, déposé sur un substrat monocristallin de silicium Si(100). L’ensemble de la série des échantillons évaporés a subit un recuit de 1h à 700°C. Des mesures de concentrations et d’épaisseurs par RBS (Spectrométrie par rétrodiffusion de Rutherford) ont été conduites sur ces échantillons ainsi que des mesures de diffractions X(DRX) et des observations au n'est apparu qu'en 2005, fabriqué par la Corporation Toshiba [S. Khizroev-05]. Cette technologie n’est pas encore largement utilisée.

En dépit des nombreux travaux sur les alliages CoCr depuis les premières études sur l’enregistrement perpendiculaire réalisés durant les années soixante dix, les corrélations entre les propriétés structurales et magnétiques sont encore peu maîtrisées et de nombreuses questions restent néanmoins ouvertes: effet de la taille des grains sur le champ coercitif, sur l’aimantation à saturation, sur la rémanence, sur le mécanisme de retournement de l’aimantation; effet du substrat sur le magnétisme de l’alliage déposé, la croissance des couches; effet de la température …

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microscope à force atomique (AFM). Des mesures d’aimantation par AGFM (magnétométrie à gradient de champ alternatif) ont également été réalisées.

Le manuscrit comprend quatre chapitres, une introduction générale et une conclusion.

L’introduction générale et état de l’art passe en revue les principaux travaux antérieurs réalisés sur les matériaux ferromagnétiques à base de cobalt, ainsi que les applications potentielles des couches minces dans la recherche fondamentale et dans l’industrie.

Dans le premier chapitre on présente quelques rappels sur le magnétisme et l’application technologique des couches minces ferromagnétiques. Le deuxième chapitre décrit les techniques expérimentales d’élaboration et de caractérisations utilisées au cours de ce travail.

Nous présenterons ensuite, dans le troisième chapitre, les conditions d’élaboration des échantillons de CoCr, ainsi que les résultats expérimentaux et les interprétations des caractéristiques structurales, obtenus par les techniques RBS, AFM et DRX. Les mesures magnétiques font l’objet du quatrième chapitre. Dans ce chapitre, nous présenterons et discuterons les courbes d’aimantations réalisées sur nos films. Les formes des cycles d’hystérésis ainsi que les valeurs techniques avant et après recuit seront présentées et discutées. Une corrélation avec les propriétés structurales sera également présentée

.

Enfin, une conclusion générale termine cette thèse et trace les perspectives à venir afin de compléter l’étude et répondre aux questions restées en suspens. Si des questions restées en suspens au cours du travail réalisé dans le cadre du magistère ont trouvé des réponses dans cette étude, d’autres questions telles que celles relatives à la disparition des cycles d’hystérésis croisés après recuit, demeurent sans réponses et mériteraient un approfondissement, en faisant varier la température et la durée du recuit.

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Références bibliographiques

[A. Chiolerio-09] A. Chiolerio, J. Magn. Magn. Mater. 321, 2009.

[A. Kharmouche-07] A. Kharmouche, S.-M. Chérif, G. Schmerber, A. Bourzami, J. Magn. Magn.

Mater. 310, 152–158, 2007.

[B. G. Demczykt-91] B G Demczykt and J O Artman, J.Phys.D: Appl.Phys.24 (1991)1627-1632.

[E. L. Wolf-04] E. L. Wolf, Nanophysics and nanotechnology, Wiley-VCH, p.3, 2004.

[G. Pan-92] G. Pan, D.J. Mapps, M.A. Akhter J.C. Lodder, P. ten Berge H.Y. Wong and J.N.

Chapman,J. Magn. Magn. Mater.113, 21-28,1992.

[H. Kanai-98] H. Kanai, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL 34, NO. 4, JULY 1998.

[J. Buschow-04] K. H. J. Buschow, F. R. De Boer, Physics of Magnetism and Magnetic Materials, p.

139, New York, 2004.

[K. Hemmes-88] K. Hemmes, Th. J. A. Pompa, J. Phys. D: Appl. Phys. 21, P 228, 1988.

[K. Yamanaka -01] K. Yamanaka, T. Hamamoto, Y. Nakano, and M. Miura, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL 37, NO. 4, JULY 2001.

[M. Almasi-kashi-02] M. Almasi-kashi , P. J. Grundy, G. A. Jones, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, P3042, 2002.

[M. Futamoto-01] M. Futamoto*, Y. Hirayama, Y. Honda, A. Kikukawa, K. Tanahashi, A. Ishikawa, J. Magn. Magn. Mater. 235, 281–288, 2001.

[M. Hong-86] M.Hong, R. B. Van Dover, J.M. Vandenbeg, D. Bacon, J. Magn. Magn. Mater.54-57, 1585-1587,1986.

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[M. Watanabe-96] M. M.Watanabe, I. C. Oppenheim, F. P. Missel, J. Magn. Magn. Mater.159, P284,1996.

[P. Bruno-89] P. Bruno, Thèse de Doctorat de l’Université de Paris-Sud ,1989.

[S. Hirono-88] S. Hironi and A. Furuya, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS,VOL.24, NO.6, NOVEMBER 1988.

[S. Honda -84] S. Honda, N. Yamashita, M. Ohkoshi and T. Kusuda, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. MAG-20, NO. 5, SEPTEMBER 1984.

[S. Khizroev-05] S. Khizroev, D.Litvinov, Perpendicular recording media, Springer Science + Business Media, Inc, USA, 2005.

[S. Iwasaki-77] S.Iwasaki, Y. Nakamura, IEEE Trans. Mag., Vol. MAG-13, No.5, pp.1276, 1977.

[S. Iwasaki - 80] S.Iwasaki, IEEE Trans. Mag., Vol. MAG-16, No. 1, pp.73, 1980.

[T. Manago-05] T. Manago, H. Kuramochi, H. Akinaga, J. Appl. Phys.97, 023907, 2005.

[Y. Hirayama -00] Y. Hirayama, A. Kikukawa, Y. Honda, N. Shimizu, and M. Futamoto, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 36, NO. 5, SEPTEMBER 2000.

[ Z.-M. Li-87] Z-M. Li, J. F. Carolan, Thin solid films 151, 431-438, 1987.

[ Z.-M. Li-89] Z.-M. Li ,R. R. Parsons, Thin solid films 170, 273-284, 1989.

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Chapitre1 Généralités sur le magnétisme 0110001

«La connaissance des mots conduit à la connaissance des choses»

Platon

Chapitre 1

Généralités sur le magnétisme

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Chapitre 1 : Généralités sur le magnétisme

Introduction

1. Propriétés ferromagnétiques

1.1 Champ moléculaire, domaines et parois 1.2 Température de Curie

1.3 Cycle d’hystérésis 1.4 Coercivité

1.5 Anisotropie magnétique

1.5.1 Anisotropie magnétocristalline 1.5. 2 Anisotropie de forme

1.5.3 Anisotropie de surface 1.5.4 Anisotropie magnétoélastique 1.5.5 Anisotropie d’échange

1.6 Mécanismes de renversement de l’aimantation 2. Le système CoCr

2.1 Comportement électronique et magnétique 2.2 Diagrammes de phase

2.3 Applications technologiques 2.4 La limite superparamagnétique Références bibliographiques

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Introduction

Le magnétisme est le domaine de la physique où on étudie les propriétés magnétiques, dues aux moments magnétiques des particules qui constituent la matière. Dans ce domaine, l’étude est très analogue à l’électrostatique, mais contrairement à l’électrostatique, en magnétisme il n’existe pas de charges magnétiques, c’est-à-dire de monopole magnétique. Toute la matière est formée d’atomes, composés de noyaux autour desquels gravitent des électrons. Le comportement de ces atomes sous l’effet d’un champ magnétique appliqué est traduit par un mouvement supplémentaire des électrons. Ce dernier crée un moment magnétique induit, qui s’oppose au champ appliqué, s’ensuit alors une susceptibilité négative. Ce phénomène est appelé diamagnétisme. Toute la matière est donc diamagnétique. Cependant, le moment magnétique induit est très faible, et n’est mesuré que pour certaines substances comme les gaz rares monoatomiques, la plupart des gaz polyatomiques, les solides ioniques, les substances formées par liaison covalente. Mais dans les corps paramagnétiques, les atomes possèdent des moments magnétiques permanents, orientés aléatoirement et donnant une aimantation nulle, qui est le moment magnétique par unité de volume.

Dans ce cas, lorsqu’on applique un champ magnétique, les moments s’orienteront suivant ce champ et il en résultera une aimantation non nulle, et donc une susceptibilité positive. Ce phénomène se rencontre dans les atomes, les molécules et les défauts cristallins possédant un nombre impair d’électrons; les atomes et les ions avec une couche interne incomplète……

Un troisième comportement magnétique très typique est appelé ferromagnétisme.

Dans ce type de corps ferromagnétiques les moments magnétiques sont orientés parallèlement. Il existe alors une aimantation spontanée même en l’absence d’un champ magnétique appliqué. La plupart des corps ferromagnétiques sont des métaux tels que les métaux de transition (Co, Fe, Ni) et leurs alliages.

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Les éléments de transition sont les éléments de la classification périodique qui possèdent des orbitales d partiellement occupées par des électrons (figure 1.1). Le premier corps ferromagnétique connu est la magnétite (roche qui a la propriété d’attirer les métaux). La question qui se pose ici : pourquoi le Co, Ni, Fe,…. et d’autres substances ferromagnétiques n’ont pas cette propriété d’attirer les métaux? [H. T. Diep-03], [A .Layadi-04] et [C. Kittel-68].

Figure 1.1 : Classification périodique des éléments, les orbitales d des éléments de transition sont à l’origine des propriétés magnétiques, électriques et optiques de ces éléments et de leurs composés.

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1. Propriétés ferromagnétiques

1.1 Champ moléculaire, domaines et parois

Une première tentative d’une analyse quantitative des corps ferromagnétiques a été avancée par P. Weiss en 1907, et est appelée théorie du champ moyen ou du champ moléculaire. Weiss expliqua ce phénomène en supposant que les échantillons réels sont composés d’un grand nombre de petites régions appelées domaines. L’interface ou la région entre deux domaines adjacents est appelée paroi de domaine à l’intérieur de laquelle l’aimantation locale est saturée. La direction de l’aimantation n’est pas nécessairement la même dans des domaines différents de telle sorte que le moment magnétique résultant est nul. Ce postulat de Weiss est démontré en 1931 par F. Bitter, Hamos et Thiessen. Indépendamment l’un de l’autre, ils découvrent une technique qui permet d’observer réellement ces domaines. Cette observation a permis aussi de développer l’étude théorique des domaines par Landau, Lifshitz et Néel. Weiss expliqua aussi l’existence de l’aimantation spontanée dans les corps ferromagnétiques par l’existence d’un champ moléculaire qui rend tous les moments magnétiques parallèles. L’ordre de cet énorme champ pour le Fe, le Co et le Ni est respectivement 1500, 2100 et 940 Tesla. Deux types de parois existent, paroi de Néel et paroi de Bloch. Pour les couches très minces où l’épaisseur de la couche est très petite devant l’épaisseur de la paroi, les parois de Néel sont plus favorisées. Ce type de paroi est caractérisé par des pôles de spin apparaissant dans le corps ferromagnétique. Tandis que dans le cas contraire, c’est-à-dire pour des couches épaisses, les parois de Bloch sont préférées. Ici les pôles apparaissent dans la surface de la couche. [H. T. Diep-03] [A .Layadi-04] et [C. Kittel-68].

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Parois de domaines: a- Paroi de Bloch, b-Paroi de Néel

Le ferromagnétisme est expliqué par la mécanique quantique. Il a été montré que dans les corps ferromagnétiques, l’origine du champ qui assure l’alignement des moments magnétiques, est l’interaction entre les spins des électrons. Cette interaction est appelée interaction d’échange, et est découverte par Heisenberg.

L’Hamiltonien d’échange est donné par la formule:

𝐻𝐻 =−2𝐽𝐽𝑒𝑒 𝑆𝑆1 𝑆𝑆2

Avec 𝐽𝐽𝑒𝑒^R ^Rl’interaction d’échange entre deux atomes 1 et 2 de spin total 𝑆𝑆1 et 𝑆𝑆2, respectivement. Pour le Cobalt, 𝐽𝐽_𝑒𝑒^R ^Rest positif. Effectivement, dans tous les corps ferromagnétiques, les spins sont parallèles. Dans le Chrome 𝐽𝐽_𝑒𝑒^R^R est négatif, ainsi que pour tous les corps dits antiferromagnétiques et qui sont caractérisés par des spins antiparallèles. Il a été trouvé aussi que J^R_e^Rest positif pour les corps qui possèdent de grandes distances interatomiques par rapport au rayon atomique (Co, Fe, Ni, Gd,...), et négatif dans le cas contraire (Cr, Mn,...). Il existe d’autres configurations moins importantes illustrées dans la figure 1.2.

a

b

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Dans les métaux de transition, et particulièrement dans le cas de ceux de la série 3d, l'interaction d'échange est essentiellement due aux électrons de conduction 3d dont les orbitales se recouvrent entre sites voisins. Compte tenu du caractère délocalisé des électrons de conduction des métaux de transition, un modèle de magnétisme itinérant est nécessaire pour décrire le magnétisme. Stoner, en 1938, introduisit un modèle de gaz d'électrons soumis à un champ moléculaire et obéissant au principe de Pauli. Il montra que l'état ferromagnétique est stable tant que le critère suivant est satisfait :

J_e.N (E_F)>1

où Je représente le terme de couplage d’échange répulsif entre électrons des bandes de spins opposés et N (E_F), la densité d’état locale au niveau de Fermi.

Pour la démonstration de ce critère voir annexe A.

Ferromagnétisme Spins parallèles

Ferrimagnétisme Spins parallèles mais avec des

modules différents

Antiferromagnétisme Spins antiparallèles

Figure 1.2 : Différentes configurations des spins dans les matériaux magnétiques

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1.2 Température de Curie

La température est un paramètre très important qui a une grande influence sur les propriétés magnétiques. En effet, l’ordre ferromagnétique ou ferrimagnétique disparaît au-dessus d’une température critique Tc appelée température de Curie. L’aimantation spontanée de ces corps disparaît brutalement au delà de cette température. Pour les alliages, la température de Curie change avec la concentration des composants. A titre d’exemple, la température Tc pour l’alliage Co50Pt50

est de l’ordre de 500˚C alors que pour l’alliage Co25Pt75

Le champ coercitif H

, cette température est de l’ordre de 20˚C [J. PENUELAS-08].

1.3 Cycle d’hystérésis

L’aimantation du matériau ferromagnétique en fonction du champ magnétique extérieur appliqué présente un cycle d'hystérésis (figure 1.3). L’hystérésis est le cœur du comportement ferromagnétique. Toutes les applications de moteurs électriques, de transformateurs, de l’enregistrement magnétique reposent massivement sur l’aspect particulier de l’hystérésis. En plus de ça, selon la forme du cycle d’hystérésis, il existe deux types de matériaux ferromagnétiques, matériaux doux (soft materials) caractérisés par un cycle d’hystérésis étroit donc un faible champ coercitif, et matériaux durs (hard materials) dont le cycle d’hystérésis est étendu et le champ coercitif grand.

1.4 La coercivité

C est défini comme le champ magnétique nécessaire pour annuler l’aimantation (figure 1.3) ou, en d’autres termes, c’est le champ qui réduit l’aimantation de la rémanence vers zéro. La coercivité est une propriété extrinsèque. Elle est fortement influencée par les propriétés microstructurales de la couche telles que la taille et la forme des grains, la composition et la texture. Ces propriétés sont directement liées aux conditions de préparation.

(24)

Figure 1.3 : Courbe d'hystérésis typique de l'aimantation en fonction du champ magnétique avec la définition des principales grandeurs la caractérisant: l'aimantation rémanente (M_r), le champ

coercitif (H_c) et de saturation (H_s

L’anisotropie magnétocristalline représente l’orientation préférentielle de l’aimantation par rapport aux axes cristallographiques. Elle trouve son origine dans le couplage spin-orbite. Pour faire

).

1.5 Anisotropie magnétique

L’anisotropie magnétique d’un matériau traduit le fait que son énergie libre dépend de la forme du matériau et de l’orientation de son aimantation par rapport à ses axes cristallographiques.

L’orientation pour laquelle cette énergie libre est minimale (maximale) correspond à un axe de facile (difficile) aimantation. Il est nécessaire de connaitre l'anisotropie magnétique pour le bon fonctionnement d'un dispositif. Il est donc important de passer en revue les différentes sources d'anisotropie pouvant exister en couches minces, et de souligner les différences par rapport aux matériaux massifs. Cette anisotropie peut avoir différentes origines :

1.5.1 Anisotropie magnétocristalline

(25)

prendre à l’aimantation une direction différente de la direction privilégiée, il faut donc fournir une certaine énergie, appelée énergie magnétocristalline.

On distingue deux types d’anisotropie magnétocristalline: les anisotropies magnétocristallines cubique et uniaxe.

Dans l’anisotropie magnétocristalline uniaxe un seul axe représente une direction facile. C’est le cas du cobalt (structure hexagonale), l’axe c [0001] est une direction facile tandis que l’axe [1010] est une direction difficile.

L’énergie d’anisotropie magnétocristalline peut s’écrire : 𝐸𝐸 = 𝐾𝐾₁𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠²𝜃𝜃+𝐾𝐾₂𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠⁴𝜃𝜃

Pour le Co à température ambiante :

𝐾𝐾₁ = 4,1 x 10⁵ Jm^-3et 𝐾𝐾₂= 1,0 x 10⁵ Jm^-3.

Avec 𝜃𝜃 l’angle que fait l’aimantation 𝑴𝑴��⃗ avec l’axe d’anisotropie, 𝐾𝐾1 et 𝐾𝐾2 les constantes d’anisotropie[A.H.Morrish-80]

1.5.2 Anisotropie de forme

L’origine de cette anisotropie est l’interaction dipolaire entre deux moments magnétiques.

𝑚𝑚��⃗_𝑠𝑠 et 𝑚𝑚��⃗_𝑗𝑗, typiquement deux spins contenus dans le film : 𝐸𝐸_{𝑠𝑠,𝑗𝑗} = 𝑚𝑚��⃗_𝑠𝑠 𝑚𝑚��⃗_𝑗𝑗

𝑟𝑟_{𝑠𝑠,𝑗𝑗}³ −3�𝑚𝑚��⃗_𝑠𝑠 𝑟𝑟⃗_{𝑗𝑗,𝑗𝑗}�(𝑚𝑚��⃗_𝑠𝑠 𝑟𝑟⃗_𝑗𝑗_,𝑗𝑗) 𝑟𝑟_{𝑠𝑠,𝑗𝑗}⁵

Dans le cas d’un film mince, l’énergie dipolaire est minimale lorsque l’aimantation est parallèle à la surface à cause de la présence du champ démagnétisant (𝑯𝑯𝒅𝒅) à l’intérieur du système et qui est responsable de l’énergie magnétostatique. Ce dernier tend donc à ramener l’aimantation 𝑴𝑴��⃗ dans le plan du film. Cette anisotropie est sensible à la morphologie des dépôts, c’est pourquoi elle est très souvent appelée anisotropie de forme. L’énergie d’anisotropie de forme est donnée par

(26)

1.5.3 Anisotropie de surface

L’origine de l’anisotropie de surface est liée au comportement des atomes en surface. Cette anisotropie n’est importante que dans les couches ultraminces où le nombre d’atomes en surface constitue une partie importante du nombre total d’atomes.

L’énergie d’anisotropie de surface peut s’écrire Es = 2K_s

t 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠²θ

où 𝐾𝐾_𝑠𝑠 est la constante d’anisotropie de surface, t l’épaisseur de la couche mince et 𝜃𝜃 l’angle entre l’aimantation 𝑴𝑴��⃗ et l’axe d’anisotropie.

1.5.4 Anisotropie magnétoélastique

Lorsqu’un matériau ferromagnétique est soumis à une tension ou à une compression, sa courbe d’aimantation est modifiée. Ainsi, tout changement de direction de l’aimantation spontanée met en jeu une énergie élastique, appelée énergie d’anisotropie magnétoélastique ou magnétostriction

.

Ce type d’anisotropie est également lié au couplage spin-orbite.

1.5.5 Anisotropie d’échange

Lorsqu’on dépose une couche antiferromagnétique sur une couche ferromagnétique AF/F, une anisotropie d’échange prend naissance à l’interface. Cette anisotropie a été observée pour la première fois par Meiklejohn et Bean sur des particules de cobalt (couplage ferromagnétique) oxydées en surface en CoO (couplage antiferromagnétique) [W.H. Meiklejohn-57]. Les systèmes F/AF sont caractérisés par une courbe d’hystérésis décalée suivant le champ appliqué. Le décalage du cycle d’hystérésis d’un côté ou de l’autre de l’axe de l’aimantation (à l’interface d’une couche ferromagnétique et une couche antiferromagnétique) a été interprété comme un effet de surface. Par la suite, Mauri et al. ont interprété l’anisotropie d’échange par la nucléation d’une paroi dans

(27)

l’antiferromagnétique. Ainsi, l'anisotropie d'échange peut être due à la compétition entre une énergie d’interface et une énergie de paroi [D. Mauri-87].

1.6 Mécanismes de renversement de l’aimantation

Le processus de retournement d’aimantation est lié aux mouvements des parois du matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique extérieur croissant. Son principe est la base de l’hystérésis. Le modèle le plus simple de renversement de l’aimantation est le modèle de rotation cohérente ou uniforme (figure 1.4.a). Il a été proposé en 1948 par E.C. Stoner et E.P. Wohlfarth.

D’autres modèles sont proposés telles les rotations incohérentes en mode flambage « buckling » et rotations incohérentes en mode enroulement « curling » (figure 1.4.b et c).

Figure1.4 : Différents mécanismes de renversement de l’aimantation

a- Rotation cohérente b- Rotation incohérente en mode flambage « buckling » c-Rotation incohérente en mode enroulement « curling »

b

c

a

c

(28)

2. Le système CoCr

2.1 Comportement électronique et magnétique

Le cobalt (Co) et le chrome (Cr) sont deux métaux de transition. Dans les deux métaux, la couche électronique du Co (3d ([Ar]3d⁷4s²) et du Cr ([Ar ]3d⁵4s¹

Figure 1.5 : Courbe de Slater-Pauling [P. Mohn-06].

) est externe, les électrons portant le magnétisme ont donc un certain degré de délocalisation. Néanmoins, le Co a un comportement ferromagnétique tandis que celui du Cr est antiferromagnétique. Le système binaire CoCr présente donc un grand intérêt du point du vue magnétique, car il est le siège d’une coexistence de deux types de magnétisme. La relation entre le moment magnétique et la composition (dans les systèmes binaires) est couramment illustrée par la célèbre courbe de Slater-Pauling (figure 1.5).

(29)

La courbe du Slater-Pauling (PS) montre deux branches distinctes l’une avec une pente+1 et l’autre avec une pente -1. Dans la région de pente positive on trouve les systèmes faiblement ferromagnétiques (le cas de l’alliage CoCr) et dans la région où la pente est négative on trouve les systèmes fortement ferromagnétiques.

2.2 Diagrammes de phase

Le Co et le Cr sont deux composants des médias actuels dans le disque dur. Le diagramme de phase binaire de l’alliage Co-Cr a été étudié par beaucoup de chercheurs, et l’un des plus complets est celui qui a été publié par Ishida et Nishizawa en 1990[K.H.J.Buschow-98].

En raison d’applications technologiques des couches minces de CoCr en tant que milieu pour l'enregistrement magnétique, le domaine le plus intéressant du diagramme de phase s’étend de la température ambiante jusqu’à1000 °C et cela pour une de teneur en Cr inférieure à 35 at.% (Cf.

figure 1.6). Dans cette partie du diagramme deux phases sont présentes, α - c.f.c et ε –h.c.p.

Dans cette gamme de température et de concentration, il peut y avoir deux phases, une avec une composition riche en Co ferromagnétique et l'autre avec une teneur riche en Cr paramagnétique.

(30)

Figure 1.6 : Diagramme d'équilibre de Co-Cr avec les phases: L - liquide; αCo - c.f.c ; εCo-h.c.p;

Cr - b.c.c, et σ- phase intermétallique (Ishida et Nishizawa 1990).

2.3. Applications technologiques

L’une des applications majeures des couches minces ferromagnétiques est l’enregistrement magnétique des informations. Les informations sont très diverses (images, sons, vidéos, programmes…) mais le principe du stockage magnétique reste le même. En effet, quelle que soit l’information à stocker ou à lire, il faut la transformer en signal électrique puis en signal magnétique et inversement. Généralement, un milieu d’enregistrement magnétique est constitué d’un substrat (verre, aluminium, polyester…) sur lequel est déposée la couche magnétique (magnetic layer). Entre le substrat et la couche magnétique on trouve une couche de transition dénommée couche intermédiaire (underlayer), et finalement une couche couverture de protection plus un lubrifiant (figure 1.7) [K.H.J.Buschow-98]. Dans les disques durs actuels, l’information est codée dans de

(31)

petits éléments de surface dénommés bits. Les bits sont constitués de grains magnétiques dont l'aimantation peut prendre deux orientations opposées dans le plan du film mince (d’où le nom d’enregistrement magnétique longitudinal(LMR)). Le signal magnétique est ainsi décrit à l’aide d’un code binaire 0 ou 1. Il suffit d'avoir deux types d'aimantation du matériau magnétique bien distincts, l'un correspondant au 1 et l'autre au 0. Le bit est un paramètre important qui caractérise les performances d'une mémoire. La surface du bit détermine la capacité de stockage d’une part, et, d'autre part, le temps d'accès nécessaire à la lecture ou à l'écriture d'une information sur le support.

Le principe est illustré sur la figure 1.8. Typiquement, les grains de media conventionnel sont de l’ordre de 5 à 15 nm.

Figure 1.7 : Configuration typique d'un milieu d’enregistrement en couche mince commercial.

(32)

2.4 La limite superparamagnétique

Nos PC réclament toujours plus d'espace de stockage. En effet, on a toujours besoin de logiciels plus volumineux, de fichiers à enregistrer plus nombreux (images, musiques, vidéos...).

Seulement, le stockage magnétique longitudinal limite cette possibilité. En effet, l’augmentation de la densité du stockage nécessite une réduction de la taille des particules magnétiques qui servent à coder les données binaires (les 0 et les 1). [S. Khizroev-05].

Pour un grain individuel, la barrière des énergies qui sépare deux bits (l’énergie d'anisotropie magnétique nécessaire pour renverser la direction de l’aimantation d'un grain) est donnée par 𝐾𝐾𝑢𝑢𝑉𝑉, avec 𝐾𝐾_𝑢𝑢^R l'énergie d'anisotropie magnétique par unité de volume et 𝑉𝑉 le volume du grain, bien sûr.

Selon la Physique Statistique, il y a une probabilité pour que le grain renverse son moment Figure 1.8 : Principe du stockage magnétique longitudinal

(33)

magnétique en raison des fluctuations thermiques 𝐾𝐾_𝐵𝐵𝑇𝑇, avec 𝐾𝐾_𝐵𝐵 la constante de Boltzmann, et 𝑇𝑇 la température. Au delà d’une certaine taille des grains, les deux énergies deviennent comparables, alors les bits ne sont plus stables et l’information risque d’être perdue: c’est la limite superparamagnétique (figure 1.9). Typiquement, pour une bonne stabilité des bits d’enregistrement, il faut que le rapport 𝐾𝐾𝑢𝑢𝑉𝑉/ 𝐾𝐾𝐵𝐵𝑇𝑇 soit plus grand que 40. Ce nombre est appelé nombre magique.

𝐾𝐾_𝑢𝑢𝑉𝑉

𝑘𝑘𝐵𝐵𝑇𝑇≥ 40⇒ 𝑉𝑉 ≥^40𝑘𝑘_𝐾𝐾^𝐵𝐵^𝑇𝑇

𝑢𝑢 Ce qui donne à peu près

𝑎𝑎 ∽�𝑑𝑑𝑒𝑒𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑑𝑑é 𝑑𝑑𝑒𝑒 𝑏𝑏𝑠𝑠𝑑𝑑𝑠𝑠¹ /𝑠𝑠𝑠𝑠² ⇒ 𝑎𝑎𝑚𝑚𝑠𝑠𝑠𝑠 ≅ �³ ^40𝑘𝑘_𝐾𝐾_𝑢𝑢^𝐵𝐵^𝑇𝑇 𝑎𝑎 est la valeur moyenne de la taille du grain.

Plusieurs solutions sont envisagées pour résoudre ce problème. Parmi ces solutions, l’enregistrement magnétique perpendiculaire. Dans ce cas, l’aimantation est perpendiculaire à la surface du film magnétique et les moments sont plus stables que dans la configuration longitudinale où les pôles nord– nord ou sud-sud sont en contact. Le principe est proposé pour la première par le Professeur Shun-Ichi Iwasaki en 1977, mais l’idée est mentionnée bien auparavant à l’université de Berkeley (Californie) en 1940. Le principe de stockage reste globalement identique à celui de l’enregistrement longitudinal: lorsque le système de contrôle du disque dur reçoit l'ordre d'enregistrer des données, il envoie un courant électrique vers la tête. Ce courant génère un champ magnétique qui « pénètre » dans le plateau pour atteindre l'une des couches qui le recouvre. Dans la figure 1.10 on présente une comparaison entre la stabilité des spins dans les deux configurations perpendiculaire et longitudinale.

(34)

Chapitre1 Généralité sur le magnétisme 0110001

Figure 1.9 : La limite superparamagnétique

𝐾𝐾

_𝐵𝐵

𝑇𝑇 𝐾𝐾

_𝑢𝑢

𝑉𝑉

≈

Figure 1.10 : Comparaison entre la configuration longitudinale et perpendiculaire des moments magnétiques.

S

S N N

S N

N S

Configuration Perpendiculaire Configuration

Longitudinale

Configuration des moments plus stable

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Chapitre1 Généralité sur le magnétisme 0110001

Références bibliographiques

[A.H.Morrish-80] A.H.Morrish, The Physical Principles of Magnetism, R.E.Krieger Publishing Company, Huntington, New York, 1980.

[A. Layadi-04] A. Layadi, Introduction au magnétisme, Alger, 2004.

[C. Kittel-68] C. Kittel, Introduction to solid state physics, New York, 1968.

[D. Mauri-87] D. Mauri et al. J. Appl. Phys 62, 3047(1987).

[E. L. Wolf-04] E. L. Wolf, Nanophysics and Nanotechnology, Wiley-VCH, 2004.

[H. T. Diep-03] H. T. Diep, Physique de la matière condensée, Dunod, Paris, 2003.

[J. PENUELAS-08] J. PENUELAS, Thèse de Doctorat de l’Université d’Orléans, 2008.

[K.H.J.Buschow-98] K.H.J.Buschow, Hand book of magnetic materials, Volume 11, Elsevier, Amsterdam, 1998.

[K. H. J. Buschow-04] K. H. J. Buschow, F. R. De Boer, Physics of Magnetism and Magnetic materials, New York, 2004.

[P. Averbuch] P. Averbuch, Structure électronique des solides, Grenoble, 2008 [P. Bruno-89] P. Bruno, Thèse de Doctorat de l’Université de Paris-Sud, 1989.

[P. Mohn-06] P. Mohn, Magnetism in the solid state, New York, 2006

[R. Feynman-63] R. Feynman, Lectures on Physics, volumes 1, 2, 3, California, 1963.

[S. Khizroev-05] S. Khizroev, and D. Litvinov, Perpendicular Magnetic Recording, U.S.A, 2005.

[S.Iwasaki-77] S.Iwasaki, Y. Nakamura, IEEE Trans. Mag., Vol. MAG-13, No. 5, pp.1276, 1977.

[W. Benenson-02] W. Benenson, J. W. Hariss, H. Stocker, H. Lutz, Handbook of physics, New York, 2002.

[W.H. Meiklejohn-57] W.H. Meiklejohn and C.P. Bean, Phys.Rev.105, n°3, 904(1957)

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Chapitre 2 Techniques expérimentales 0110010

“If you know where it is, you don’t know where it’s going,” or

“If you know where it’s going, you don’t know where it is”

Heisenberg

Chapitre 2

Techniques expérimentales

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Chapitre 2 : Techniques expérimentales

A/Technique d’élaboration

1. Elaboration des échantillons par évaporation thermique sous vide 2. Traitement thermique par recuit sous vide

2.1. Introduction et définition 2.2. Mécanisme de recuit

2.3. Effets causés par les traitements thermiques 2.4 Technique de recuit

B/Techniques de caractérisations 1. Introduction

2. Spectroscopie par Rétrodiffusion de Rutherford (RBS) 2.1. Principe

2.2. Cinématique de la RBS 3. La diffraction des rayons X (DRX) 3.1. Le diffractomètre Siemens D500

3.2. Mesure de l’orientation normale « Rocking curve »(RC) 4. Microscope à force atomique AFM

5. Magnétomètre à Gradient de Champ Alternatif (AGFM) Conclusion

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A/Technique d’élaboration

1. Elaboration des échantillons par évaporation thermique sous vide

Le dépôt des couches minces est obtenu soit par dépôt physique en phase vapeur (PVD) telles que l'évaporation ou la pulvérisation, soit par dépôt chimique (CVD), comme l’électrodéposition. Dans ce travail on a élaboré sous vide des couches minces par la méthode d’évaporation par effet Joule.

Le principe de l’évaporation thermique est la condensation de la vapeur du matériau à déposer sur le substrat à recouvrir. Généralement, un évaporateur à vide est constitué de trois parties: la chambre de travail, le groupe de pompage et le système d’alimentation.

La chambre de travail de notre évaporateur est un cylindre ou cloche démontable, en verre, et qui repose sur une platine munie d’un joint de caoutchouc circulaire et graissé (par de la graisse à vide) assurant l’étanchéité. Dans cette chambre on trouve le creuset, l’élément qui porte le matériau à évaporer [I. Djouada-07]. Il est souhaitable que le matériau à évaporer mouille la surface du creuset pour avoir un bon contact thermique. Il faut noter aussi que le matériau du creuset ne doit pas avoir une température de fusion plus basse que celle du matériau à évaporer, il doit aussi avoir une bonne conductivité électrique. Les creusets les plus courants sont à base de tungstène (W), de molybdène (Mo), d’aluminium (Al), d’alumine (Al₂O₃

L’évaporation du matériau nécessite un vide poussé. Ce vide est assuré par un système de pompage qui comporte deux pompes montées en série pour pomper l’air de la cloche vers l’extérieur, l’une assure un vide primaire entre 10

) [H. J. Mathieu-03]

.

Les matériaux à recouvrir (silicium et verre) sont placés sur un plateau métallique, appelé le porte-substrat. Une autre tôle métallique placée au-dessous du porte-substrat, nommé cache, est fixée au bras mobile qui permet sa manipulation de l’extérieur. Le cache est utilisé pour masquer le substrat au cours du dégazage (figure 2.1).

-2 et 10^-3 mbar et l’autre un vide secondaire entre 10^-3et 10^-7mbar.

Dans notre évaporateur, la pompe primaire est une pompe à palettes. Le vide secondaire est assuré par une pompe à diffusion d’huile, où une huile est chauffée en bas de la pompe, ce qui entraîne son

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évaporation. Cette huile se condense sur les parois refroidies par l’eau, et redescend ensuite en emmenant avec elle quelques molécules de gaz résiduels, les molécules de gaz piégées et portées par l’huile sont pompées vers l’extérieur par la pompe primaire. Il va sans dire que la pompe secondaire ne peut fonctionner que si la cloche est amenée à un vide primaire. Les vides primaire et secondaire sont respectivement contrôlés par une jauge Pirani et une jauge Penning. Le système d’alimentation dans notre évaporateur assure le chauffage du creuset par effet Joule, les connexions électriques se faisant en raccordant leurs extrémités à des serre-fils massifs en cuivre. [G. K. White-79], [C. R. Brundle- 92], [W. Umrath-98], [E. S. Machlin-05], [I. Djouada-07].

Alimentation Electrique

Creuset

Cache

Jauges Pompe

secondaire

Pompe primaire Porte substrat

Figure 2.1 : Schéma du montage de l’évaporateur sous vide.

(40)

2. Traitement thermique par recuit sous vide 2.1. Introduction

Durant l’élaboration des échantillons, et particulièrement les alliages, il y a toujours une possibilité d’apparition d’éléments étrangers et de défauts cristallins, surtout des lacunes. L’ampleur de l’apparition de ces défauts diffère d’une méthode d’élaboration à une autre. Les traitements thermiques donnent une possibilité d’évolution structurale et une amélioration des propriétés des matériaux et des alliages pour leur emploi. Les grandes classes de traitements thermiques sont les Trempes, Revenus, Traitements thermochimiques, Traitements thermomécaniques et le Recuit. Dans notre travail, nos échantillons ont été traités par recuit thermique sous vide.

Le recuit est une technique consistant à chauffer un matériau, c’est-a-dire l’action de remettre au feu, et à le refroidir dans certaines conditions. Lors du refroidissement, les atomes de la matière s'organisent entre eux de manière à ce que les configurations de plus faible niveau d'énergie, c’est-à- dire les plus stables, soient privilégiées. Tant que le niveau d'énergie totale du matériau (sa chaleur) reste élevé, les atomes peuvent trouver de l'énergie pour changer de configuration et il s’ensuit une évolution vers des états d’équilibre structural. Les propriétés électriques et surtout magnétiques sont les plus influencées par la structure des métaux et alliages. Pour cette raison le recuit est le plus utilisé pour améliorer les propriétés magnétiques d’une couche mince [P. Poupeau-08 ].

2.2. Mécanisme de recuit

Un recuit se réalise par chauffage à une vitesse choisie, avec éventuellement des paliers de température progressifs jusqu’à une température déterminée en fonction du but recherché. La température de recuit étant atteinte, on effectue alors un maintien isotherme, pendant un certain temps.

Le cycle du chauffage des échantillons est un procédé qui comprend:

1- Un chauffage jusqu'à une température dite de recuit.

2- Un maintien isotherme à la température de recuit.

3- Un refroidissement lent, généralement à l'air (la vitesse de refroidissement doit être inférieure à la vitesse de recuit, voir figure 2.2.

(41)

2.3. Effets causés par les traitements thermiques

Les traitements thermiques, destinés à améliorer les propriétés des alliages, peuvent causer néanmoins quelques défauts indésirables. On cite ici quelques effets :

- Distorsions et contraintes résiduelles dues aux gradients thermiques: si les gradients de température sont élevés, les contraintes peuvent devenir suffisamment importantes pour provoquer des déformations plastiques irréversibles. Pour éviter cela, il est nécessaire de chauffer ou de refroidir le plus lentement possible.

- Variations volumiques et superficielles: variations de volume entre les différentes phases, oxydation lors du chauffage à l’air... D’où la nécessité du vide durant le recuit….

- Modifications structurales indésirables: il faut bien choisir les conditions du recuit.

- Difficulté de modéliser le recuit : il est extrêmement difficile, dans l’état actuel, de traiter théoriquement le recuit, c’est-à-dire qu’il n’existe pas d’équations générales de base, simples, qui modélisent le phénomène de recuit. Il y a, en effet, trop de paramètres, trop de mécanismes et trop de conditions qui font intervenir de multiples propriétés, pour que le problème puisse se traiter de façon simple.

Figure 2.2: Le cycle thermique d'un recuit Tr : Température de recuit.

tc : Temps de chauffage.

tm : Temps de maintien.

tr : Temps de refroidissement

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- Difficultés de la précision des conditions de traitement thermique: puisque les évolutions structurales au cours des traitements dépendent d’un nombre considérable de paramètres, le choix des conditions de traitement thermique est souvent difficile à déterminer a priori.

2.4 Technique de recuit

Le recuit de nos échantillons a été réalisé avec un dispositif qui se compose d’une pompe à vide (vide secondaire pour éviter l’oxydation), d’un four tubulaire et d’un thermocouple.

L’échantillon à recuire est déposé dans un tube en quartz dans lequel se trouve également un thermocouple. Une fois l’échantillon mis en place, le vide est réalisé grâce au groupe de pompage, le même que celui utilisé dans la technique d’évaporation. Celui-ci permet de descendre à une pression d’environ 10^-7 mbar. Le tube contenant l’échantillon est ensuite introduit dans le four à la bonne température de recuit, contrôlée grâce à un thermocouple (figure 2.3).

Figure 2.3: Montage de recuit sous vide

(43)

B/Techniques de caractérisations

1. Introduction

L’utilisation de nanoparticules dans nombre de réalisations technologiques modernes, oblige à développer de nouveaux outils de caractérisations autres que les conventionnelles. Pour la microscopie, la taille nanométrique des composés a donné naissance à des microscopes à sonde locale.

Dans ce cadre, on se trouvait enfin capable de visualiser des atomes et des molécules uniques déposées sur une surface. Ces microscopes peuvent arracher un atome sur une surface et le repositionner un peu plus loin. Des molécules organiques peuvent être délicatement poussées pour être correctement positionnées sur un dispositif plus complexe. Grâce à ces dispositifs, on arrive à manipuler les atomes.

C’est l’approche qui est actuellement appelée bottom-up ou approche du bas vers le haut. Pour caractériser un échantillon ou un objet, il faut interagir avec les atomes qui le constituent et recevoir les informations qui en proviennent. Les techniques utilisables peuvent être globalement réparties en trois familles: celles qui étudient un signal émis par l’objet (microscope à effet tunnel STM), celles qui envoient un signal sur l’objet et étudient le signal que celui-ci réémet (microscopies optiques, électroniques, diffraction des rayons X(DRX), rétrodiffusion de Rutherford (RBS) …), et enfin les techniques qui mettent l’instrument en contact direct avec l’objet en mesurant une force d’interaction entre une sonde et l’objet lui-même (les microscopies à force atomique AFM, et à force magnétique MFM).

2. Spectroscopie par Rétrodiffusion de Rutherford (RBS) 2.1. Principe

La Spectroscopie par Rétrodiffusion de Rutherford (RBS) entre dans le thème de l'Analyse par Faisceaux d'Ions. Le principe consiste à projeter des ions à l'aide d'un accélérateur de particules, sur l'échantillon que l'on souhaite analyser, et d'étudier les rayonnements émis ou réémis en retour par l'échantillon. L’accélérateur utilisé est un accélérateur linéaire, les mesures effectuées lors de notre expérience ont été réalisées avec un faisceau émergeant dans une chambre à vide - pour améliorer la

(44)

39

(proton, Hélium3, particules alpha) entre en collision avec un atome cible, différentes interactions peuvent avoir lieu. On peut avoir soit un choc noyau incident-noyau cible, soit un choc de type noyau incident-nuage électronique de l'atome cible. Dans le premier cas, si les chocs sont élastiques avec rétrodiffusion du noyau incident, c’est le principe de la technique RBS. Si le noyau cible est plus léger que le projectile, il s’agira de ^« Elastic Recoil Detection Analyse^» (ERDA). Si les chocs sont inélastiques, cela correspond à une réaction nucléaire entre les deux noyaux ^« Nuclear Reaction Analysis ^»(NRA) avec production de rayonnement gamma ^« Proton Induced Gamma-ray Emission ^» (PIGE). Dans le second cas, c’est-à-dire un choc de type noyau incident-nuage électronique de l'atome cible, on aura une ionisation de l'atome cible par le noyau incident ; dans ce cas, le noyau incident va arracher un électron de l'atome cible d’une couche profonde K ou L, il se produira alors une réorganisation au sein des couches électroniques produisant des rayonnements X ^« Proton Induced X-ray Emission ^»(PIXE). [M. Ohring-92] et [H. Oubensaid-06].

Source de particules

Pompe à vide Détecteur

Porte - échantillon

Accélérateur de particules

4He⁺⁺

Système de réglage des angles

Figure 2.4 : Schéma de principe de la RBS.

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