NanOstructures MultIferroïques INtrinsèques et extrinsèques : vers un contrôle Électrique des propriétés magnétiquEs (NOMINÉE)

Multiferroic intrinsic and extrinsic nanostructures : towards electric control of magnetic properties

• Auteur / Autrice : Walaa Jahjah
• Direction : David Spenato, Yann Le Grand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 28/11/2019
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et de Magnétisme (Brest, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Warot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Spenato, Yann Le Grand, Bénédicte Warot, Massimiliano Marangolo, Mimoun El Marssi, Jean-Philippe Jay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Massimiliano Marangolo, Mimoun El Marssi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés magnétiques

Nanoparticules

Matériaux multiferroïques

Mots clés libres

Multiferroïque

Magnétoélectrique

Magnétostrictif

Couplage d’échange

Couche mince

Renversement de l’aimantation

Multiferroic

Magnetoelectric

Magnetostrictive

Exchange coupling

Thin film

Magnetization reversal

Résumé

Nous menons trois études expérimentales du comportement de renversement de l’aimantation (RM) dans trois types différents de bicouches, et sous différents types de contraintes. Nous étudions l’influence sur les propriétés magnétiques de l’état structural du BiFe03, de contraintes mécaniques magnétoélastiques dans le Fe81Ga19, couplées ensuite à des contraintes électriques et même thermiques.Une bicouche polycristalline composée d’un ferromagnétique Ni81Fe19, et d’un multiferroïque intrinsèque BiFe03, est déposée par pulvérisation cathodique. Sa structure et sa morphologie sont caractérisées par diffraction des rayons X, et microscopie électronique à transmission, révélant deux états structuraux fondamentalement différents du BiFe03 dûs à des défauts. Le RM est analysé par magnétométrie à échantillon vibrant, fournissant des mesures angulaires à température ambiante. L’état parasité avec la phase parasite Bi2O3 augmente les valeurs du champ d’échange en fonction de la concentration de celle-ci, qui est contrôlable. Un état mésoporeux est aussi mis en évidence, et empêche l’établissement de l’anisotropie unidirectionnelle du couplage d’échange.Des couches minces magnétostrictives de Fe81Ga19 sont déposées sur des substrats de verre. Leurs caractérisations mettent en évidence une dépendance en épaisseur des propriétés magnétiques, en correspondance avec l’état structural.Deux directions cristallographiques remarquables pour toutes les épaisseurs permettent un RM cohérent. La couche la plus mince présente un coefficient de magnétostriction de 20 ppm, qui diminue pour les couches plus épaisses. Cette tendance est associée à une texture de surface prédominante qui se réduit au profit du volume polycristallin sans orientation préférentielle.De telles couches de Fe81Ga19 sont déposées sur des substrats monocristallins ferroélectriques de PMN-PZT pour former un multiferroïque extrinsèque. Le RM et le caractère d’anisotropie sont contrôlés par un champ électrique. Le composite révèle un fort couplage magnétoélectrique inverse entre les deux phases piézoélectrique et magnétostrictive, de valeur parmi les meilleurs rapportées à ce jour. Des mesures à basses températures montrent un effet magnéto-mécanique dû à la contrainte thermique et imposé par la nature du substrat.

We conducted three experimental studies of magnetization reversal (MR) behavior in three different types of bilayers, under different types of strain. We studied the influence on the magnetic properties of the structural state in the BiFe03, of magnetoelastic mechanical strain in the Fe81Ga19, which we then coupled to electrical and even thermal strainA bilayer consisted of using a ferromagnetic Ni81Fe19, and an intrinsic multiferroic BiFe03. These polycrystalline thin films are deposited by sputtering. Their structure and morphology are characterized by X-ray diffraction, and transmission electron microscopy, revealing two fundamentally different structural states of the BiFeO3 due to defects. The MR is analyzed by vibrating sample vector magnetometry, providing angular measurements it room temperature. The parasitic state with the parasitic phase Bi2O3 increases the values of the exchange field according to its concentration, which we can control. A mesoporous state is also highlighted, and prevents the establishment of the unidirectional anisotropy.Magnetostrictive thin films of Fe81Ga19 are deposited on glass substrates. Their characterizations reveal thicknessdependent magnetic properties, in correspondence with the structural state. Two remarkable crystallographic directions for the whole range of thicknesses allow a coherent MR. The thinner films have a magnetostriction coefficient value of 20 ppm, which decreases for the thicker films. This trend is associated with a predominant surface texture which is reduced in favor of the polycrystalline volume with non-preferential orientation.Such Fe81Ga19 films are deposited on single-cristalline ferroelectric substrates of PMN-PZT to form an extrinsic multiferroic.The MR and the anisotropy character are controlled by an electric field. The composite reveals a strong inverse magnetoelectric coupling αCME between the two piezoelectric and magnetostrictive phases, of value among the best reported so far. Measurements at low temperatures show a magnetomechanical effect due to thermal stress, and imposed by the nature of the substrate.