Propriétés magnétiques et magnétoélastiques de l'alliage à mémoire de forme NiTi et de la bicouche NiTi/Ni

Magnetic and magnetoelastic properties of NiTi shape memory alloy and NiTi/Ni bilayer

• Auteur / Autrice : Anton Kyianytsia
• Direction : Bertrand Kierren, Thomas Hauet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Raulot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Kierren, Silvana Mercone, Vincent Repain, Laura Thevenard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Silvana Mercone, Vincent Repain

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétoélasticité

Alliages nickel-titane

Propriétés magnétiques

Alliages à mémoire de forme

Mots clés libres

Magnétoélasticité

Propriétés magnétiques

Alliage à mémoire de forme

NiTi

Ni

Magnetoelasticity

Magnetic

Shape memory alloy

NiTi

Ni

Résumé

L'objectif initial de la thèse est d'étudier la manipulation de l'anisotropie magnétique d'une couche mince ferromagnétique par déformation par couplage élastique avec un alliage à mémoire de forme NiTi. Premièrement, les caractéristiques structurales et la nature paramagnétique du NiTi sont étudiées en détails. Ensuite, le couplage magnétoélastique dans une bicouche NiTi / Ni est étudié. Dans la première partie, les caractéristiques paramagnétiques d'un échantillon polycristallin de NiTi autoporté de 20 µm d'épaisseur, fabriqué par pulvérisation cathodique magnétron, sont étudiées à l'aide de magnétomètres, en fonction du champ magnétique, de la température, de la structure cristalline et des contraintes mécaniques. La structure en NiTi est caractérisée par la diffraction des rayons X, notamment en relation avec son état de déformation. Les échantillons sont déformés en tension dans la large gamme de magnitudes de déformation, la distribution des contraintes est caractérisée par une technique numérique de corrélation d'images. Nous montrons que la magnétométrie est une technique efficace pour sonder les états de transition et de déformation des alliages à mémoire de forme. Les variations de la susceptibilité magnétique de NiTi sont expliquées sur la base de la théorie du paramagnétique de Pauli, en comparant les données expérimentales à des calculs ab-initio. La relation entre susceptibilité, densité d’état au niveau de Fermi et paramètres de maille est mise en lumière via les variations induites par les contraintes de traction. Dans la deuxième partie, nous montrons que, dans la bicouche NiTi/Ni, l’effet de mémoire de forme dans le film NiTi libre permet d’induire et de commuter de manière réversible à 90° l’anisotropie magnétique uniaxiale induite dans la couche de Ni. La commutation est réalisée par un cycle thermique entre 300K et 400K. L’amplitude du changement d'anisotropie magnétique au cours d'un cycle thermique est dépendante de la valeur de pré-contrainte, qui est réglable. La qualité de l'interface de la bicouche est étudiée à l'aide de la technique de microscopie électronique à transmission (TEM). Le taux de transmission de la contrainte de NiTi à Ni est estimée indépendamment à partir de la distribution de la contrainte dans NiTi, de l'amplitude de l'anisotropie magnétique du Ni et vérifié par TEM.

The initial goal of the thesis is to investigate the manipulation of magnetic anisotropy of a ferromagnetic thin layer through strain by means of shape memory effect in NiTi/ferromagnetic bilayer. First, the structural features and paramagnetic nature of NiTi are broadly studied. Then, magnetoelastic coupling in NiTi/Ni bilayer is investigated. In the first part, paramagnetic features of a freestanding 20µm thick NiTi polycrystalline samples grown by magnetron sputtering are studied with commercial magnetometers, as a function of a magnetic field, temperature, crystal structure, and mechanical strain. NiTi structure is characterized by X-ray diffraction, particularly in relation with its strain state. The samples are deformed in tension in the broad range of deformation magnitudes, the strain distribution is characterized by digital image correlation technique. Magnetometry is demonstrated to be an efficient technique for probing of shape memory alloys transition and strain state. Variations of NiTi magnetic susceptibility are explained based on considerations that NiTi is Pauli paramagnetic material by comparing experimental data with ab-initio calculations. It is found that magnetic susceptibility depends on particular trends in NiTi lattice parameters induced by tensile strain. In the second part, we prove that shape memory effect in freestanding NiTi is viable to induce and reversibly switch by 90° a uniaxial magnetic anisotropy of the Ni layer deposited on top of it. Switching is accomplished by thermal cycling between 300K and 400K. The magnitude of magnetic anisotropy change during a thermal cycle is shown to be dependent on the pre-strain value, that is tunable. The interface quality of the bilayer is investigated with transmission electron microscopy (TEM) technique. Consistent strain transmission rate to Ni from NiTi is independently estimated from strain distribution in NiTi, from Ni magnetic anisotropy magnitude and verified by TEM.