Micro-aimants haute performance à base de Nd-Fe-B

High performance Nd-Fe-B micro-magnets

• Auteur / Autrice : Frederico Orlandini Keller
• Direction : Nora Dempsey, Thibaut Devillers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 10/05/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marc Verdier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laura H. Lewis, Milan Calic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Viau, Jean-Marie Le Breton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Films magnétiques

Électroaimants

Mots clés libres

Nd-Fe-B

Micro-Aimants

Haute performance

Nd-Fe-B

Micro-Magnets

High performance

Résumé

Cette thèse porte sur l’utilisation de techniques de micro-fabrication (lithographie et pulvérisation) pour réaliser des micro-aimants haute performance Nd-Fe-B destinés à être intégrés dans des micro-systèmes magnétiques. Une étude systématique de l’influence des températures de dépôt et de recuit sur les propriétés magnétiques et structurales de films de Nd-Fe-B de 5 µm d’épaisseur a été menée. En particulier, on s’est attaché à répondre aux questions du développement de la texture et de la structure granulaire selon que les films sont élaborés en une étape (cristallisation pendant le dépôt) ou deux étapes (cristallisation pendant un recuit après dépôt). On a ensuite démontré la possibilité d’augmenter µ0Hc et d’améliorer la stabilité thermique de films élaborés en deux étapes en déposant des couches de dysprosium (Dy) à la base et à la surface du film de Nd-Fe-B, avant la cristallisation et les recuits éventuels. On a également développé une fabrication massive de micro-aimants de 50 µm d’épaisseur sur des substrats de silicium de 100 mm, démontrant ainsi l’intérêt des substrats pré-gravés pour le dépôt de films épais. Le champ de fuite généré par les micro-aimants a été caractérisé par microscopie à sonde de Hall et comparé à des simulations analytiques. Nous avons également revisité la structuration thermo-magnétique de films de NdFeB de 5 µm d’épaisseur, en montrant qu’il est possible d’augmenter significativement la profondeur de retournement de l’aimantation par l’irradiation laser en passant des couches élaborées en deux étapes présentant des petits grains equi-axes, à des couches élaborées en une étape avec des grains colonnaires. Les différents aspects de l’élaboration de films étudiés dans cette thèse pourront servir de base à une future fabrication industrielle de micro-aimants NdFeB de haute performance.

This thesis concerns the use of micro-fabrication techniques (lithography and sputtering) to produce high performance Nd-Fe-B micro-magnets destined for integration into magnetic micro-systems. A systematic study of the influence of deposition and annealing temperatures on the structural and magnetic properties of 5 µm thick Nd-Fe-B films was carried out. In particular, we addressed some open questions in the literature concerning texture and grain structure development in both 1-step processed films that are crystallized in the as-deposited state and 2-step processed films which are crystallized during a post-deposition annealing step. We then demonstrated an easy way to increase µ0Hc and improve the thermal stability of 2-step processed films by depositing Dy layers above and below the amorphous Nd-Fe-B layer, prior to crystallization and additional annealing. We developed the batch fabrication of 50 µm thick Nd-Fe-B micro-magnets on 100 mm diameter Si substrates, showing the importance of using pre-patterned substrates to deposit such thick films. The stray field generated by these micro-magnets was characterized by Scanning Hall Probe Microscopy and compared with analytical simulations. We also revisited the thermomagnetic patterning of 5 µm thick Nd-Fe-B films, showing how the depth of magnetization reversal achieved by laser irradiation can be significantly increased by switching from 2-step processed films which have small equiaxed grains to 1-step processed films having larger columnar grains. The various aspects of film fabrication studied here should contribute to the future industrial-scale fabrication of high performance NdFeB micro-magnets.