Nanocomposites magnétiques auto-polarisées à base de nanofils ferrimagnétiques pour les dispositifs hyperfréquences non-réciproques

Self-polarized magnetic nanocomposites based on ferrimagnetic nanowires for non-reciprocal microwave devices

• Auteur / Autrice : Nabil Labchir
• Direction : Didier Vincent, Ahmed Ihlal, Abdelkrim Hannour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 21/01/2021
• Etablissement(s) : Lyon en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir, Maroc). Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Bouchta Hlimi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Bayard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Florence Podevin, Abdeljalil Benlhachemi, Jean-luc Mattei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications

Résonance ferromagnétique

Teneur en cobalt

Ferrites (matériaux magnétiques)

Nanofils

Dépôt électrolytique

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Nanocomposites magnétiques auto-orientés

Magnéto-électrodéposition

Nanofils de ferrite de cobalt

Membranes nanoporeuses

Résonance ferromagnétique

Circulateurs hyperfréquences coplanaires non-réciproques

Télécommunications

Self-Oriented Magnetic Nanocomposites

Magneto-electrodeposition

Cobalt ferrite nanowires

Nanoporous membranes

Ferromagnetic resonance

Non-reciprocal coplanar microwave circulators

Telecommunications

Résumé

Ce travail de thèse a pour objectif de développer un circulateur coplanaire auto-polarisé. L'approche choisie est fondée sur l’utilisation de substrats composites à base de nanofils ferrimagnétiques auto-polarisés. Elle consiste à intégrer et orienter des nano-cristallites de ferrite de cobalt (CoFe2O4) dans des membranes d’alumine poreuses par la technique de l’électrodéposition sous champ magnétique. Des nanocomposites ferrimagnétiques de CoFe2O4 ont été élaborés et caractérisés par plusieurs techniques. Les mesures magnétiques de SQUID-VSM ont montré que le nanocomposite électrodéposé et refroidi sous champ magnétique de 0.6 T possède les meilleurs propriétés magnétiques, i.e. un grand champ d’anisotropie (Ha), un champ coercitif modéré (Hc), et un rapport partiel d'aimantations (Mr/Ms). Ce nanocomposite est choisi comme un candidat intéressant pour la fabrication d’un circulateur miniaturisé auto-polarisé. L’étude présentée débute par la mise en place d’un processus analytique de dimensionnement basé sur les travaux de Bosma, afin de modéliser sous MATLAB un circulateur triplaque. Les principales dimensions géométriques obtenues sont ensuite transposées vers la structure coplanaire en 3D à l’aide du simulateur numérique HFSS. Suite à des résultats de simulation intéressants; un premier prototype a été fabriqué dans la salle blanche et caractérisé en hautes fréquences. Les mesures de paramètres S ont montré un phénomène de circulation, qui reste très faible en raison de l’orientation imparfaite des nano-crystallites de CoFe2O4 à l’intérieur des pores de la membrane.

This thesis work aim to develop a self-biased coplanar circulator. The chosen approach is based on the utilization of composite substrates based on self-polarized ferrimagnetic nanowires. It consists of integrating and orienting cobalt ferrite (CoFe2O4) nano-crystallites in porous alumina membranes using the technique of electrodeposition under magnetic field. Ferrimagnetic CoFe2O4 nanocomposites have been synthesized and characterized by several techniques. The performed SQUID-VSM measurements have revealed that the nanocomposite electrodeposited and cooled under a magnetic field of 0.6 T has the best magnetic properties, i.e. a large anisotropy field (Ha), moderate coercive field (Hc), and partial squareness ratio (Mr/Ms). This nanocomposite is selected as an interesting candidate for the fabrication of a miniaturized self-biased circulator. The study has started with the implementation of an analytical dimensioning process based on Bosma's theory, in order to model a stripline circulator under MATLAB software. The main geometrical dimensions generated are then transposed to the 3D coplanar structure using the HFSS numerical simulator. Based on interesting simulation results, a first prototype was fabricated in the clean room and characterized at high frequencies. The measurements of the S-parameters have highlighted a circulation phenomenon, which remains very weak due to the imperfect orientation of the CoFe2O4 nano-crystallites within the pores of the AAO membrane.