Couches minces en Fe-N élaborées par implantation ionique : propriétés structurales et magnétiques

Fe-N thin films made by ion implantation : structural and magnetic properties

• Auteur / Autrice : Louis-Charles Garnier
• Direction : Victor H. Etgens, Massimiliano Marangolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/05/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV) - Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles / LISV
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Cros
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Victor H. Etgens, Massimiliano Marangolo, Vincent Cros, Nora Dempsey, Matthieu Bailleul, Karine Dumesnil, Martino Trassinelli, Jean-Marc Dubus
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nora Dempsey, Matthieu Bailleul

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ions -- Implantation

Couches minces

Ferromagnétisme

Mots clés libres

Couches minces ferromagnétiques

Anisotropie magnétique perpendiculaire

Domaines en rubans faibles

Implantation ionique

Fe-N

Ferromagnetic thin films

Perpendicular magnetic anisotropy

Weak stripe domains

Ion implantation

Fe-N

Résumé

Les phases alpha'-Fe8N1-x et alpha''-Fe16N2 ont un fort potentiel d’application, en raison de leur anisotropie magnétocristalline uniaxiale et de leur grande aimantation à saturation. Cependant, les valeurs annoncées pour ces propriétés magnétiques restent sujettes à discussion. Les recherches menées au cours de cette thèse de doctorat ont été initiées dans le but de clarifier cette situation. L’élaboration des échantillons a principalement consisté en l’implantation ionique d’azote dans des couches minces de fer alpha épitaxiées sur ZnSe/GaAs (001). Entre autres, les effets de la température de la cible et de la fluence sur la structure cristalline des échantillons ont été analysés par diffractométrie des rayons X. La présence d’une anisotropie magnétique perpendiculaire a été mise en évidence dans les couches minces contenant les phases alpha'-Fe8N1-x ou alpha''-Fe16N2. La constante d’anisotropie a été évaluée par magnétométrie à échantillon vibrant et résonance ferromagnétique. À l’occasion de ces recherches, des domaines en rubans faibles ont été observés par microscopie à force magnétique dans certaines couches minces en Fe-N. Ceux-ci sont particulièrement rectilignes et des dislocations coin se trouvent au sein de leur structure périodique. Des études ont alors été réalisées dans le but de contrôler avec précision la réorientation des domaines en rubans et le déplacement des dislocations magnétiques, à l’aide d’un champ magnétique.

The alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases have a high potential of application, because of their uniaxial magnetocrystalline anisotropy and their large saturation magnetization. However, the values announced for these magnetic properties remain a subject of discussion. The research conducted during this PhD thesis was initiated in order to clarify this situation. Sample making consisted mainly of nitrogen ion implantation into alpha-Fe thin films, epitaxially grown on ZnSe/GaAs (001). Among others, the effects of target temperature and fluence on the crystal structure of the samples were analyzed by X-ray diffractometry. The presence of a perpendicular magnetic anisotropy was demonstrated in the thin films containing the alpha'-Fe8N1-x and alpha''-Fe16N2 phases. The anisotropy constant was evaluated by vibrating sample magnetometry and ferromagnetic resonance. In this research, weak stripe domains were observed by magnetic force microscopy in some Fe-N thin films. These are particularly straight and edge dislocations are found within their periodic structure. Studies were then carried out to precisely control the reorientation of the stripe domains and the displacement of the magnetic dislocations, using a magnetic field.