Aimants intégrés submillimétriques pour dispositifs de récupération d’énergie

Submillimeter magnets for portable magnetic devices

• Auteur / Autrice : Antoine Gonon
• Direction : Lise-Marie Lacroix, Thierry Ondarçuhu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Organométallique et de Coordination
• Date : Soutenance le 07/11/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPCNO - Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets / LPCNO
• Jury : Président / Présidente : Bénédicte Warot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lise-Marie Lacroix, René Messina
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Piquemal, José Bico

Mots clés

Mots clés contrôlés

Induction magnétique

Mots clés libres

Nanobâtonnets

Induction magnétique

Fonctionnalisation de surface

Evaporation contrôlée

Magnetic Induction

Nanorods

Surface functionalization

Controlled evaporation

Résumé

Les composants électroniques portables et flexibles sont répartis dans d'innombrables dispositifs de notre vie quotidienne grâce aux efforts considérables déployés par l'industrie des semi-conducteurs pour continuer à intégrer des transistors plus petits et plus efficaces. Étonnamment, les dispositifs micro-usinés nécessitant un actionnement magnétique, tels que des actionneurs, des relais, des capteurs ou encore des isolateurs, n'ont pas bénéficié du même développement. En effet, l'intégration d'aimants performants se révèle un verrou technologique majeur. Par conséquent, l'actionnement des dispositifs actuels est assuré par des aimants permanents macroscopiques externes, limitant ainsi leur compacité et leur portabilité. Ce travail de thèse s’intéresse à la réalisation d'aimants intégrés de tailles submillimétriques par assemblage dirigé de nanobâtonnets (NBs) de cobalt, en bénéficiant de forces magnétophorétiques. Afin d’obtenir des matériaux performants il est essentiel de maitriser la synthèse des NBs de cobalt, véritables briques de base de ces aimants nanostructurés. Synthétisés par voie polyol, des NBs cristallins de structure hexagonal compact et présentant la morphologie cible ont été obtenus. Un suivi in-situ et par aliquotes a permis de révéler l’évolution au cours du temps de la soude. Un protocole de lavage a pu être optimisé grâce à une étude par chromatographie, permettant d’obtenir des NBs purifiés présentant une fraction volumique magnétique élevée.En jouant sur la structuration du substrat par des plots de Ni présentant des géométries optimisées, les NBs ont pu être localement assemblés pour former des aimants submillimétriques hybrides Ni-Co-Ni. Ces aimants planaires, caractérisés par tomographie X et magnétométrie, se sont révélés suffisamment performants pour actionner la mise en vibration d’un capteur gravimétrique de type MEMS, même si ils ne bénéficiaient que de fractions volumiques magnétiques limitées.L’originalité de ce travail de thèse a donc consisté à étudier les forces magnétiques et capillaires en jeu dans l'auto-assemblage et le séchage des structures et de les combiner en vue de l'optimisation des qualités intrinsèques des aimants (alignement et densité). Nous avons pour cela réalisé un montage permettant une observation fine, à petite échelle et haute vitesse, du processus d’assemblage. Durant les 50 premières millisecondes des aiguilles, très polydisperses et peu contrôlés, se forment sous l’action du champ magnétique. Tout d’abord négligée, l’interaction hydrodynamique de ces aiguilles avec la paroi doit être prise en compte lors la phase de magnétophorèse pour retranscrire les mouvements observés et ainsi déterminer la zone de capture en configuration planaire. En configuration hors-plan, la phase de séchage joue un rôle clé avec la formation de pointe par élastocapillarité.

Portable and flexible electronics are spread in countless devices of our daily life thanks to the tremendous efforts of the semiconductor industry to keep on integrating smaller but more efficient transistors. Surprisingly, micromachined devices requiring magnetic actuation, such as actuators, relays, sensors, isolators, did not benefit from the same development and presently require external macroscopic permanent magnets (PM) to ensure their proper use, thus, limiting their compactness and portability. Despite tremendous efforts, the integration of performant magnetic materials within miniaturized circuits remains both a scientific and a technological challenge. Consequently, the actuation of the current devices is ensured by permanent macroscopic permanent magnets, thus limiting their compactness and their portability. This thesis focuses on the production of submillimeter-sized integrated magnets by the directed assembly of cobalt nanorods (NRs), benefiting from magnetophoretic forces. To obtain high-performance materials, it is essential to master the synthesis of cobalt NRs, the building blocks of these nanostructured magnets. Synthesized by the polyol approach, crystalline NRs exhibiting an hexagonal compact structure and the optimized morphology were obtained. In-situ and aliquot monitoring revealed the evolution of the basicity over time. A washing protocol was optimized using chromatography to obtain purified NRs with a high magnetic volume fraction.By structuring the substrate with optimized Ni blocks, the NRs could be locally assembled to form submillimetric hybrid Ni-Co-Ni magnets. These planar magnets, characterized by X-ray tomography and magnetometry, were proved to be performant enough to actuate the vibration of a MEMS gravimetric sensor, even though they only benefited from a limited magnetic volume fraction.The originality of this work therefore consisted in studying the magnetic and capillary forces at play in the self-assembly and drying of the structures, in order to allow optimizing the magnets' intrinsic qualities (alignment and density). To this end, we have designed and fabricated a set-up that enables us to observe the assembly process in detail, on a small scale and at high speed. During the first 50 milliseconds, highly polydispersed and poorly controlled needles form under the action of the magnetic field. Initially neglected, the hydrodynamic interaction of these needles with the walls must be considered during the magnetophoresis phase to transcribe the observed movements and thus determine the capture zone in planar configuration. In the out-of-plane configuration, the drying phase plays a key role in the formation of tips by elastocapillarity.