Développement de matériaux magnétiques pour la récupération d'énergie à l'échelle microscopique

Development of functional magnetic materials for energy harvesting at the micro-scale

• Auteur / Autrice : Erika Fontana
• Direction : Nora Dempsey, Thibaut Devillers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franca Albertini, Afef Kedous-Lebouc
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lotfi Bessais, Johan Moulin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conservation de l'énergie

Matériaux -- Propriétés magnétiques

Matériaux magnétiques

Mots clés libres

La-Fe-Si

Gadolinium

Hard magnets

Energy harvesting

Magnetocaloric

Résumé

Cette thèse porte sur la fabrication et la caractérisation de matériaux magnétiques (films magnétocaloriques et micro-aimants) destinés à être intégrés dans des prototypes de récupérateurs d'énergie. La première partie est consacrée à l'étude de matériaux magnétocaloriques, à savoir des films de Gd et de La(FeSi)13, fabriqués par pulvérisation triode. Dans le cas du Gd, nous avons étudié l'influence de la température de dépôt sur les propriétés magnétiques et structurelles des films de Gd dans la gamme d'épaisseur de 3,5-40 ?m. Nous avons montré que les films déposés à une température élevée (400°C) pouvaient être facilement décollés du substrat, ce qui donne des films flexibles qui peuvent être facilement intégrés dans des dispositifs. Nous avons fabriqué des films La-Fe-Si avec une gradient de composition, d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 ?m, pour étudier la formation de la phase La(FeSi)13. Une étude systématique des propriétés magnétiques et cristallographiques des films a été réalisée sur des échantillons prélevés dans des régions spécifiques du film, en fonction des paramètres du procédé (épaisseur et condition de recuit). La deuxième partie du manuscrit concerne deux types de micro-aimants. Des micro-aimants épais en NdFeB (50 ?m) ont été produits par pulvérisation triode sur substrats pré-gravé, pour être intégrés dans un prototype de générateur d'énergie thermomagnétique. La simulation analytique des motifs de champ de fuite a été utilisée pour optimiser les dimensions et la distribution des micro-aimants. Parallèlement, nous avons mis au point un procédé de production de réseaux de micro-aimants anisotropes flexibles à base de poudres magnétiques dures monocristallines Sr-ferrite ou SmFeN mélangées à du PDMS. En utilisant cette technique, nous avons produit des micro-aimants d'une épaisseur allant jusqu'à 300 ?m. De plus, nous avons étudié l'actionnement de ces micro-aimants flexibles à l'aide d'un électro-aimant à trois axes.

This thesis concerns the fabrication and characterisation of magnetic materials (magnetocaloric films and micro-magnets) destined for integration into energy harvesting prototypes. The first part is dedicated to the study of magnetocaloric materials, namely Gd and La(FeSi)13 films, fabricated by triode sputtering. In the case of Gd, we investigated the influence of deposition temperature on the magnetic and structural properties of Gd films in the thickness range 3.5-40 ?m. We showed that films deposited at elevated temperature (400°C) could be easily peeled from the substrate, resulting in flexible free-standing films that can be easily integrated into devices. We fabricated compositionally graded La-Fe-Si films, of thickness in the range 0.5-5 ?m, to study the formation of the La(FeSi)13 phase. A systematic study of the magnetic and crystallographic properties of the films was carried out on samples taken from specific regions of the film, as a function of process parameters (thickness and annealing condition). The second part of the manuscript concerns two types of micromagnets. Thick NdFeB micro-magnets (50 ?m) were produced by triode sputtering onto pre-etched Si substrates, for integration into a thermomagnetic power generator prototype. Analytic simulation of stray field patterns was used to optimise the dimensions and distribution of the micro-magnets. In parallel, we developed a process for producing arrays of anisotropic flexible bonded micro-magnets based on single crystalline Sr-ferrite or SmFeN hard magnetic powders mixed with PDMS. Using this technique, we produced micromagnets of thickness up to 300 ?m. Moreover, we studied actuation of these flexible micro-magnets using a three-axis electromagnet.