Characterization and design of micro-magnets for the diamagnetic levitation of micro- and nanoparticles

• Auteur / Autrice : Mikhail Kustov
• Direction : Orphée Cugat, Nora Dempsey, Gilbert Reyne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble, Isère, France ; 2007-....) - Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Leon Abelmann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Mosser, Rostislav Grechishkin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rudolf Schäfer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamagnétisme

Aimants

Nanoparticules magnétiques

Sustentation magnétique

Microscopie en champ proche

Mots clés libres

Microscopie magnéto-optique

Microscopie par balayage d’une sonde Hall

Couches micro-structurées d’aimants au néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B)

Lévitation diamagnétique

Magneto-optic imaging

Scanning Hall probe microscopy

Micro-patterned Nd-Fe-B films

Diamagnetic levitation

Résumé

Les micro-aimants intégrés en couches ont de nombreuses applications potentielles dans divers types de microsystèmes magnétiques (Mag-MEMS). L’aimantation de ces micro-aimants doit être latéralement configurée et structurée à l’échelle du micromètre, afin de générer les distributions adéquates de champs et gradients magnétiques. La caractérisation quantitative de ces champs magnétiques est nécessaire pour évaluer les propriétés magnétiques des micro-aimants ainsi que pour optimiser la conception des Mag-MEMS dans lesquels ils s’intègrent. Dans ce travail, nous avons utilisé deux techniques pour mesurer les champs magnétiques générés par des couches micro-structurées d’aimants au néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B) de plusieurs micromètres d’épaisseur : la microscopie par balayage d’une sonde Hall, et la microscopie magnéto-optique (MO). Nous avons proposé et validé une nouvelle approche de la mesure 3D de champ à l’aide d’une seule sonde Hall unidirectionnelle. Nous avons démontré la faisabilité de l’imagerie MO quantitative à l’aide d’un film MO uniaxial dans un champ d'offset. Nous avons extrait de la mesure des profils de champ des informations sur la micro-structure magnétique des micro-aimants. Les micro-aimants étudiés dans cette thèse ont été conçus pour leur utilisation dans des Mag-MEMS spécifiquement dédiés à l’exploitation de la lévitation diamagnétique. Nous avons exploré les aspects théoriques et expérimentaux de la lévitation diamagnétique de matériaux diamagnétiques sur des réseaux intégrés de micro-aimants, et réciproquement la lévitation de micro-aimants sur des substrats diamagnétiques, sous l’effet de leurs propres champs et gradients magnétiques. Nous avons cerné les dimensions optimales d’un micro-aimant en lévitation sur un substrat de graphite, afin d’optimiser sa charge utile ou sa hauteur de lévitation. Nous avons démontré expérimentalement la lévitation d’un micro-aimant d’aimantation unidirectionnelle. Enfin, nous avons proposé et simulé un microsystème original incorporant des matériaux magnétiques durs et doux, dont la lévitation est stable dans n’importe quelle orientation

Integrated film micro-magnets have many potential applications in various types of magnetic micro-systems. To produce the required magnetic field distributions and field gradients, the magnets need to be laterally patterned on the micron-scale. Quantitative characterization of their stray fields is needed to assess their magnetic quality as well as to optimize the design of micro-systems incorporating these micro-magnets. In this work, both scanning Hall probe microscopy and magneto-optic (MO) microscopy have been used for the measurement of the stray magnetic fields produced by micro-patterned Nd-Fe-B films. A novel approach to making 3D measurements using a single-component Hall probe has been proposed and validated. The possibility to do quantitative MO imaging using a unixial MO indicator film in a bias field has been demonstrated. Measured field profiles have been used to extract information concerning the magnetic microstructure of the micro-magnets. The micro-magnets studied in this work were designed for use in micro-systems, in particular those exploiting diamagnetic levitation. Theoretical and experimental aspects of diamagnetic levitation (diamagnets above magnets, magnets above diamagnets) have been explored. The optimal dimensions of a levitating magnet have been found in order to optimize its levitation height or its permissible load. The levitation of a unidirectionally magnetized micro-magnet has been demonstrated experimentally. An original levitation micro-device with enhanced stability, incorporating both hard and soft elements, has been proposed and simulated