Nanofils de CoxNi1-x en épitaxie en matrice de SrTiO3 : croissance, structure et contrôle d'anisotropie magnétique

Epitaxial CoxNi1-x nanowires in SrTiO3 matrix : growth, structure and control of magnetic anisotropy

• Auteur / Autrice : Xiaorong Weng
• Direction : Franck Vidal, Yunlin Zheng
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/09/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Menguy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Véronique Dupuis
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Caroline Andreazza, Thomas Hauet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de résonance paramagnétique électronique

Dépôt par laser pulsé

Anisotropie

Nanofils

Ferromagnétisme

Mots clés libres

Ultrathin nanofil

Épitaxie verticale

Ferromagnétisme

Anisotropie magnétique

Déformation

Ablation laser pulsé

Ultrathin nanowire

Vertical epitaxy

Ferromagnetism

Magnetic anisotropy

Distortion

Pulsed laser deposition

Résumé

Cette thèse décrit l’étude de l’auto-assemblage de nanofils ferromagnétiques de CoxNi1-x épitaxiés dans une matrice de SrTiO3. Ce système est elaboré par ablation laser pulsé. Profitant du dépôt séquentiel des fils et de la matrice, le diamètre des nanofils est contrôlé dans la gamme de 1,7 à 5,3 nm. En raison du désaccord de paramètre de maille entre les fils et la matrice, les nanofils sont dilatés axialement. Cette déformation décroît lorsque le diamètre des fils augmente, dans la gamme de 2-4%. L'anisotropie magnétique des nanofils résulte de la compétition des anisotropies magnétostatique et magnétoélastique. L'effet magnétostatique favorise un axe d'aimantation facile le long de l'axe des fils. La contribution magnétoélastique introduite par la déformation dépend de la constante de magnétostriction et de la déformation. Elle est uniaxiale, négative pour Ni et positive pour une concentration de Co d'environ 20% et plus. Sous une déformation supérieure à 0,8%, l’anisotropie magnétoélastique prédomine, faisant de l’axe des fils un axe d'aimantation dur pour Ni. Pour les nanofils de CoNi, la grande déformation renforce le caractère facile de l’axe des fils. Il en résulte une augmentation de la température de blocage par rapport à la température ambiante, indiquant une augmentation de la stabilité thermique de l'aimantation. Une étude spectroscopique des moments magnétiques de spin et d'orbite met en évidence le fait que l'anisotropie du moment orbital peut être corrélée à l'anisotropie magnétoélastique. Le contrôle de l'anisotropie magnétique par la déformation ou le diamètre est un bon point de départ pour la construction de structures nanomagnétiques 3D.

This thesis describes the study of self-assembled epitaxial ferromagnetic CoxNi1-x nanowires in SrTiO3 matrix. This system is grown by pulsed laser deposition. Taking advantage of the sequential deposition of wires and matrix, the diameter of nanowires is controlled in the 1.7-5.3 nm range. Due to the lattice mismatch between wires and matrix, nanowires are in tensile axial strain. The strain decreases with increasing diameter and is in the 2-4% range. Large strain is thus achieved in this vertically aligned nanocomposite structure. The total magnetic anisotropy of the nanowires reflects the competition of the magnetostatic and magnetoelastic anisotropies. The magnetostatic effect favors an easy magnetization axis along the wire axis. The magnetoelastic contribution introduced by the tensile strain depends on the magnetostriction constant and the strain. It is uniaxial, negative for Ni and positive for Co concentration of about 20% and above. Under a strain larger than 0.8%, the magnetoelastic anisotropy dominates in magnitude the magnetostatic one, leading the wire axis to be a hard magnetization axis for Ni. For CoNi alloy nanowires, the large strain reinforces the easy character of the wire axis. This results in the enhancement of the blocking temperature over room temperature, indicating the increased thermal stability of magnetization. A spectroscopic study of the spin and orbital magnetic moments evidences the fact that the anisotropy of the orbital moment can be correlated with the magnetoelastic anisotropy. The control of the magnetic anisotropy by the strain or the diameter is a good starting point for the construction of 3D nanomagnetic structures.