Auto-organisation de molécules-aimants et de nanoparticules magnétiques sur des surfaces de copolymères dibloc

Self-organization of single molecule magnets (SMM) and magnetic nanoparticles on surfaces functionnalized by block copolymers demixtion

• Auteur / Autrice : Nathan Grumbach
• Direction : Jean-Louis Gallani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Strasbourg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Copolymères

Nanoparticules

Aimantation

Molécules

Mots clés libres

Auto-organisation XMCD

Concept TSA

Anisotropie magnétique

Résumé

Le stockage magnétique de l’information, utilisé notamment dans les disques durs, n’a cessé d’évoluer vers une augmentation de la densité de stockage. Les matériaux utilisés actuellement tendent vers une limite, aussi bien physique que technologique, et les évolutions futures passeront nécessairement par une révolution des technologies de stockage magnétique et par des nouveaux matériaux. Nous proposons lors de cette thèse une étude de nouveaux objets magnétiques, les molécules aimants de type Mn12 et les nanoparticules magnétiques qui présentent un comportement magnétique au niveau de l’objet individuel. Ces matériaux pourraient dépasser les limites actuelles et faire gagner plusieurs ordres de grandeurs aux densités de stockage magnétique. Nous nous sommes intéressés à l’organisation à plusieurs échelles de ces nano-objets sur une surface, et à la formation de réseaux ordonnés à deux dimensions de pas nanométrique. Les nano-objets étudiés peuvent s’auto-organiser, mais les longueurs de corrélation spontanées restent faibles. Pour propager cet ordre nanométrique à longue distance, nous avons utilisé la micro séparation de phase d’un copolymère dibloc PS-PMMA qui structure la surface sous la forme de lignes d’une dizaine de nanomètres de largeur. La démixtion du copolymère dibloc se fait à l’intérieur de canaux lithographiés de 100 à 200 nm de largeur, où les domaines lamellaires s’alignent dans la direction des canaux. On forme des lignes droites d’une dizaine de nanomètres de largeur sur lesquelles les nano-objets magnétiques se déposent sélectivement. Il est ainsi possible ainsi d’organiser spatialement le dépôt de nano-objets magnétiques, à plusieurs échelles, en combinant des techniques de lithographie de type top-down et d’auto-organisation de type bottom-up. L’étude des propriétés magnétiques des molécules aimants déposées en monocouche sur une surface n’est possible que par XMCD à très basse température. On montre que les molécules aimants de type Mn12 conservent leur structure lors du dépôt, mais perdent leur comportement de type ferromagnétique. Malgré cela, d’autres molécules aimants ou les nanoparticules d’or restent des candidats intéressants pour du stockage magnétique à très haute densité. Enfin, l’organisation du dépôt de ces objets magnétiques a également pour conséquence un effet d’anisotropie magnétique, source potentielle d’applications multiples.

Magnetic information storage, used in hard disks notably, has not stopped evolving toward higher storage density. Current storage systems reach their physical and technological limits, and future improvements will necessarily consist in new materials and technologies. We have studied in this work two kinds of new magnetic nanometric objects, Single Molecule Magnets (SMM) and magnetic nanoparticles, both showing magnetic bistability at the isolated individual object. These materials could help overpass current limitations and make magnetic storage densities increase by up to five orders of magnitude. This work is focused on the multiscale organisation of these objects on a surface, with the aim of forming two dimensional organised networks. The nano-objects we considered can self-organize on a surface, but correlation lengths remain short. To control and propagate nanometric organisation up to macroscopic scales, we functionalize the surface using PS-PMMA block copolymer and use microphase separation in order to structure the surface in ten nanometers wide stripes. Oriented demixtion of the block copolymer is obtained via templated self-assembly, in our case by using a surface patterned with 100 to 200 nm wide channels. Then the magnetic nano-objects selectively self-organize in networks on the polymer stripes. Multiscale spatial organisation of nanometric objects is therefore possible by combining top-down lithographic and bottom-up self techniques. Experimental study of magnetic properties of organised monolayers of SMM is challenging and has been performed with Low Temperature XMCD. We have shown that Mn12-like SMMs remain structurally intact at the surface but that their magnetic properties are unfortunately lost. Still, other SMMs or magnetic gold nanoparticles remain interesting candidates for high density magnetic storage. Finally, we have shown that the organised deposition of these nano-objects can result in magnetic anisotropy, with a large range of potential applications.