Réalisation de champs de forces magnétiques de grande intensité et études de leur impact sur les réactions électrochimiques à l’interface liquide-solide

Design of a high intensity magnetic force field source and studies of its impact on electrochemical reaction at the liquid-solid interface

• Auteur / Autrice : Jinu Kurian
• Direction : Bernard Doudin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée
• Date : Soutenance le 06/07/2022
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique et chimie des matériaux (Strasbourg)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Vivier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Salia Cherifi-Hertel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Vivier, Jean-Philippe Ansermet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Électrochimie

Films magnétiques

Mots clés libres

Films minces magnétiques

Anisotropie magnétique perpendiculaire

Force Kelvin à l'échelle nanométrique

Processus électrochimique

Couplage spin-orbite

Microscopie à ions hélium focalisés

Magnetic thin films

Perpendicular magnetic anisotropy

Nanoscale Kelvin force

Electrochemical process

Spin-orbit torque

Focused helium ion microscopy

Résumé

L'influence d'un champ magnétique sur l'électrochimie, dans la plupart des cas, peut être expliquée par les effets de convection dans la couche de diffusion induits par la force de Lorentz et/ou la force de Kevin. Cependant, les effets du champ à l'interface ectrochimique sont un sujet controversé. Nous étudions comment les forces magnétiques exaltées à l'échelle nanométrique, agissant à l'interface électrode/électrolyte, peuvent avoir un impact sur la réaction électrochimique. Deux stratégies ont été suivies pour créer une configuration magnétique multi-domaines où le champ de force peut être activé ou désactivé par le champ magnétique externe ou par un courant électrique. Des multicouches de films Co/Pt présentant une anisotropie magnétique perpendiculaire nous ont permis de réaliser des configurations générant des champs de force contrôlable magnétiquement. Des études électrochimiques utilisant des films de Co/Pt sur le système modèle du couple redox ferri/ferrocyanure ont révélé l'influence d'un champ de force à l'échelle nanométrique sur le processus électrochimique. En outre, la commutation de magnétisation induite par le couplage spin-orbite en combinaison avec la technologie d'irradiation par ions hélium focalisés est explorée pour créer des bits magnétiques reprogrammables électriquement. Un système modèle a été exploré, dans lequel la résolution spatiotemporelle de la génération du champ de force peut être utilisée pour obtenir de nouvelles informations sur les effets du champ dans les réactions électrochimiques. En outre, en raison de la nature omniprésente des molécules paramagnétiques dans les réactions, le champ de force intense à l'échelle nanométrique pourrait ouvrir de nouvelles voies pour améliorer l'efficacité de réactions technologiquement pertinentes.

The influence of a magnetic field on the electrochemistry, in most cases, can be explained by the convective effects in the diffusion layer induced by the Lorentz force and/or the Kevin force. However, the field effects at the electrochemical interface is a controversial topic. We study how large magnetic forces, enhanced at the nanoscale and acting at an electrode/electrolyte interface can impact the electrochemical reaction. Two strategies were pursued to create a magnetic multi-domain configuration where the force field can be switched on or off by the external magnetic field or by an electric current. Co/Pt multilayer films having perpendicular magnetic anisotropy allowed us to realize the magnetically controllable force field landscape. Electrochemical investigations using Co/Pt films on the model system of ferri/ferrocyanide redox couple revealed the influence of large nanoscale force field on the electrochemical process. Furthermore, spin-orbit torque induced magnetization switching in combination with focused helium ion irradiation technology is explored to demonstrate electrically reprogrammable magnetic bits. A model system is achieved, where the spatio-temporal resolution of the force field generation could be explored to obtain novel insights into the field effects on electrochemical reactions. In addition, owing to the ubiquitous nature of the paramagnetic molecules in the reactions, the nanoscale intense force field could open new pathways to improve the efficiency of technologically relevant reactions.