Croissance et propriétés magnétiques de nanostructures épitaxiées auto-assemblées : le système Fe/Mo(110)

Growth and magnetic properties of self-assembled epitaxial nanostructures : the Fe/Mo(110) system

• Auteur / Autrice : Pierre-Olivier Jubert
• Direction : Claire Meyer, Olivier Fruchart
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Louis Néel (Grenoble ; 1971-2006)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Miltat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rolf Allenspach, Kamel Ounadjela, Jean-Louis Porteseil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jacques Miltat, Stéphane Andrieu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dépôt par laser pulsé

Molybdène

Propriétés magnétiques

Nanostructures

Anisotropie

Épitaxie

Mots clés libres

Epitaxie

Auto-assemblage

Auto-organisation

Nanostructures magnétiques

Domaine(s) magnétique(s)

Micromagnétisme

Anisotropie magnétique

Epitaxial growth

Self-assembly

Self-organisation

Magnetic nanostructures

Magnetic domain(s)

Micromagnetism

Magnetic anisotropy

Résumé

L'objectif de cette thèse était l'élaboration par croissance auto-assemblée et l'étude des processus de retournement d'aimantation de particules magnétiques modèles de Fer épitaxiées sur une surface (110) de Molybdène. Une étude systématique de la croissance de Fe sur Mo(110)/Al2O3(11-20) sous ultra-vide par Dépôt Laser Pulsé est présentée. Cette étude a permis d'affiner les connaissances de la littérature concernant la croissance de couches continues grâce à des observations STM in-situ, et d'étudier en détail les différentes méthodes permettant d'auto-assembler des nanostructures (plots, bandes). A haute température (Ts>600K), la croissance de Fe sur Mo(110) conduit à la formation d'îlots 3D compacts auto-assemblés qui, comme démontré par un calcul énergétique, présentent la forme facettée et les rapports d'aspect de cristaux de Fe à l'équilibre thermodynamique. A température modérée (300K< Ts< 600k), la croissance de Fe sur Mo(110) est affectée par des limitations cinétiques. Un dépôt à 500K, ou le recuit d'une couche continue déposée à 300K ou à 400K, conduit à la formation de bandes nanométriques de Fe auto-organisées le long des marches de la surface faiblement vicinale de Mo(110). Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié particulièrement les propriétés magnétiques d'îlots 3D compacts de taille sub-micronique. En combinant des mesures macroscopiques, des mesures sur des particules individuelles, et des simulations micromagnétiques, nous arrivons à décrire de façon détaillée la configuration en domaines et les processus de retournement d'une particule individuelle en fonction de ses caractéristiques morphologiques et structurales. Par ailleurs, les propriétés magnétiques de particules qui présentent une rémanence non nulle (petits îlots compacts, bandes auto-organisées de Fer) ont été étudiées à partir des cycles d'hystérésis macroscopiques à l'aide d'une méthode de séparation des contributions réversible et irréversible à la variation d'aimantation

The aim of the present thesis is the fabrication, using self-assembly technique, of Fe model nanoparticles on Mo(110) and the study of their magnetization reversal. A systematic study of the growth of Fe on Mo(110)/Al2O3(11-20) under ultra high vacuum conditions is presented. The epitaxial technique is Pulsed Laser Deposition. This work provides new information about the growth of Fe thin films, and describes different methods to produce self-assembled/self-organized nanostructures (dots or stripes). Two distinct growth modes are observed as a function of the substrate temperature leading to the formation of two types of model particles : Above Ts>600K, the growth of Fe/Mo(110) results in the formation of 3D compact self-assembled Fe islands. The facetted shape and constant aspect ratios are demonstrated to correspond to the equilibrium shape of an iron crystal. At moderated temperature (300K < Ts < 600K), Fe growth differs because of kinetic limitations. Deposition at 500K, or annealing of continuous films grown at 300K or 400K, results in the formation of Fe nanostripes self-organized along the atomic steps of the slightly vicinal Mo(110) surface. Within this work, the study of the magnetic properties mainly focuses on the magnetic domain configurations and on the reversal behavior of submicronic 3D compact Fe islands. Magnetic characterization of this model system was performed using simultaneously macroscopic techniques, single particle measurements (MFM and micro-squid) and micromagnetic simulations. This multi-technique approach has lead to a precise description of the magnetic domain configurations and on the reversal processes for one single particle, in correlation with its structure and shape which are precisely determined. The magnetic properties of the self-organized nanowires, which present a remanent state, have also been studied from macroscopic measurements by applying a method of separation of the irreversible and reversible contribution to magnetic variation