Contrôle et manipulation du magnétisme de nano-systèmes ferromagnétiques
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Date
2019
Authors
Amrouche, Teyri
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Universite Mouloud MAMMERI Tizi-Ouzou
Abstract
I. Table des figures i
II. Introduction génerale 1
I. Chapitre I : Elaboration des couches minces Fe-N 4
I. 1 LE SYSTEME FE-N : PROPRIETES 5
I. 1. 1. L’alliage Fe-N à l’état massif 5
I. 1. 1. 1. La ferrite ou fer α 5
I. 1. 1. 2. L’austénite ou fer γ 6
I. 1. 1. 3. La martensite 6
I. 1. 1. 3. 1. Effet de l’azote sur la morphologie de la martensite 7
I. 1. 1. 3. 2. Effet de l’azote sur les paramètres de maille de la martensite 7
I. 1. 1. 4. Les nitrures 7
I. 1. 1. 4. 1. Le nitrure γ’ - Fe4N 7
I. 1. 1. 4. 2. Le nitrure Ɛ 8
I. 1. 1. 4. 3. Le nitrure ζ 8
I. 1. 2. Le système Fe-N en couche mince 9
I. 1. 2. 1. L’élaboration en Epitaxie par Jet Moléculaire (EJM) 9
I. 1. 2. 2. Description du bâti 9
Préparation des échantillons pour la croissance 10
I. 1. 2. 2. 1. Croissance de α-Fe par EJM 10
I. 1. 2. 3. Implantation ionique d’azote dans une cible en α-Fe 11
I. 1. 2. 3. 1. Présentation du procédé d’implantation d’ion N2+ 11
I. 1. 2. 3. 2. Interactions entre les ions implantés et le matériau 12
I. 1. 2. 3. 3. Condition d’implantation 13
II. Chapitre II : Etude des propriétés structurales du système Fe-N 16
II. 1. CARACTERISATION PAR DIFFRACTION DES RAYON X 16
II. 1. 1. Découvert et production des rayons X (RX) 16
II. 1. 2. Principe des mesures de diffraction des RX : Loi de Bragg 18
II. 1. 3. Analyse qualitative des phases cristallines 19
II. 1. 4. Aspect expérimental : Appareillage 19
II. 1. 5. Résultats DRX : Echantillon en croissance 20
II. 1. 6. Résultats DRX : l’échantillon implanté en azote 21
II. 2. ACCELERATEUR DE PARTICULES : SYSTEME D’ANALYSE PAR FAISCEAU D’IONS RAPIDES (SAFIR). 23
II. 2. 1. Accélérateur de particule Van de Graaf 23
II. 2. 1. 1. Principe de l’accélérateur Van De Graaf 24
II. 2. 2. Analyse par Spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS) 25
II. 2. 2. 1. Principe de la RBS 25
II. 2. 2. 1. 1. Rétrodiffusion d’une particule incidente à une profondeur 26
II. 2. 3. Analyse de détection de recul élastique (ERDA) 29
II. 2. 3. 1. Principe de l’Analyse de détection de recul élastique (ERDA) 29
II. 2. 3. 2. Appareillage et exploitation des données 30
II. 2. 3. 3. Distribution d'azote 32
II. 2. 3. 3. 1. Profil simulé 32
II. 2. 3. 3. 2. Profils expérimentaux 33
III. Chapitre III: Semi-Conducteur Magnétique Dilué, GaMnAsP irradié à l’hélium 36
III. 1. SEMI-CONDUCTEUR MAGNETIQUE DILUE 37
III. 1. 1. Structure cristallographique 37
III. 1. 2. Condition de croissance de GaMnAsP 37
III. 1. 3. Configuration électronique de l’ion Mn 38
III. 1. 4. Origine du ferromagnétisme 39
III. 1. 5. Anisotropie magnétique dans le GaMnAs 40
III. 2. L’IRRADIATION IONIQUE 41
III. 2. 1. Principe de l’irradiation ionique 41
III. 2. 2. Résultats et échantillons obtenus 41
III. 3. SPINTRONIQUE 42
III. 3. 1. Magnétorésistance géante MRG : Application de la spintronique 43
IV. Chapitre IV : Etude des propriétés magnétiques des systèmes Fe-N et GaMnAsP-He 44
IV. 1. LES MATERIAUX FERROMAGNETIQUES 44
IV. 1. 1. Interaction d’échange 45
IV. 1. 2. Champ cristallin 45
IV. 1. 3. Couplage spin-orbite 46
IV. 2. LES ANISOTROPIES MAGNETIQUES 46
IV. 2. 1. Anisotropie magnéto-cristalline 46
IV. 2. 2. Anisotropie de forme 47
IV. 3. LE MAGNETOMETRE A ECHANTILLON VIBRANT (VIBRATING SAMPLE MAGNETOMETER VSM) 47
IV. 3. 1. Compréhension d’un cycle hystérésis 48
IV. 3. 2. Mesures de l’aimantation en fonction du champ magnétique appliqué de Fe-N 50
IV. 3. 2. 1. Paramètres magnétiques obtenus 52
IV. 3. 3. Mesures de l’aimantation du GaMnAsP-He 53
IV. 3. 3. 1. Aimantation en fonction de la température : 54
IV. 3. 3. 2. Aimantation en fonction du champ magnétique appliqué : 55
IV. 4. LA RESONANCE FERROMAGNETIQUE (RFM) 57
IV. 4. 1. Aspect théorique 57
IV. 4. 1. 1. Principe de la RFM 57
IV. 4. 1. 2. Traduction quantique de la RFM, l’effet Zeeman 57
IV. 4. 1. 3. Champ démagnétisant 58
IV. 4. 1. 4. Les équations utilisées 59
IV. 4. 1. 4. 1. Equation du mouvement de l’aimantation 59
IV. 4. 1. 4. 2. Densité d’énergie libre 59
IV. 4. 1. 5. Les constantes d’anisotropie magnétiques 60
IV. 4. 1. 6. Fréquence de résonance ferromagnétique 61
IV. 4. 1. 7. Dispositif expérimental 62
IV. 4. 2. Résultats obtenus sur Fe-N 65
IV. 4. 2. 1. Spectres de résonance ferromagnétique 65
IV. 4. 2. 2. Variation angulaire 69
IV. 4. 2. 2. 1. Variation angulaire dans le plan 69
IV. 4. 2. 2. 2. Variation angulaire dans le plan 71
IV. 4. 2. 3. Aimantation à saturation simulées 72
IV. 4. 2. 4. Anisotropie magnétique 72
IV. 4. 2. 4. 1. Anisotropies magnétiques cubiques 73
IV. 4. 2. 4. 2. Anisotropie magnétique uni-axiale dans le plan 74
IV. 4. 2. 4. 3. Anisotropie magnétique uni-axiale perpendiculaire 74
IV. 4. 3. Résultats obtenus sur GaMnAsP-He 76
IV. 4. 3. 1. Variation angulaire 77
IV. 4. 3. 1. 1. Variation angulaire de l’échantillon référence 77
IV. 4. 3. 1. 2. Variation angulaire de l’échantillon irradié 1E13 79
IV. 4. 3. 1. 3. Variation angulaire de l’échantillon irradié 2E13 81
IV. 4. 3. 2. Champ de résonance en fonction de la température 82
IV. 4. 3. 3. Anisotropie magnétique 84
IV. 4. 3. 3. Surfaces d'énergie libre……………………………………………………………………….………………………85
V. Conclusion 88
VI. Références bibliographiques 90
VII. Résumé 95
VIII. Abstract 96
Sujet : Contrôle et manipulation du magnétisme de nano-systèmes ferromagnétiques
I. Résumé
Afin d'illustrer la forte influence des paramètres contrôlant l’anisotropie magnétique induite par le couplage spin-orbite et des contraintes épitaxiales, nous avons étudié par Spectroscopie de Résonance Ferromagnétique (RFM) les propriétés magnétiques de nano-systèmes, dont l’anisotropie magnétique peut être contrôlée et abaissée de façon à être sensible à des sollicitations magnétiques.Notre travail de thèse a été consacré à l’étude de deux systèmes ferromagnétiques à savoir :
- Les couches minces martensites azotés (Fe-N).
- les Semi-conducteurs Magnétiques Dilués (DMS) le (GaAsMnP) irradié à hélium.
Cette thèse a été réalisée en collaboration avec l’Institut des Nano-Sciences de Paris (INSP).
La première partie de notre travail de thèse est consacrée à l’étude des couches minces martensites azotés (Fe-N) Pour une implantation de N2+ à 26 keV pour des fluences allant de (1.8x10 16 à 3.5x10 16) N2+ / cm 2 et à une énergie de 40 keV avec une fluence de 5.3x10 16 N2+ / cm 2. Dans un premier temps nous avons fait une étude structurale, à l’aide de la Diffractométrie des Rayons X (DRX) pour la détermination des phases présentent dans nos échantillons et la Spectroscopie de Rétrodiffusion de Rutherford (RBS) ainsi que l'analyse de détection de recul élastique (ERDA) pour la détermination de la distribution en profondeur de la concentration d’azote dans Fe-N ainsi que l’épaisseur des couches. Ensuite nous avons effectué une étude des propriétés magnétiques avec le magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) et la Résonance FerroMagnétique (RFM) en fonction de la teneur en azote (N). Nous avons observé une augmentation monotone de l'anisotropie magnétique perpendiculaire avec une valeur maximale de 4.9 x 106erg / cm3qui peut provenir de l’anisotropie magnétocristalline des phases α ' Fe-N.
La seconde partie de notre travail a porté sur l’étude des propriétés magnétiques du GaMnAsP_He, en utilisant le VSM et la RFM. L’anisotropie magnétique uni-axiale de GaMnAsP est modifiée par irradiation aux ions hélium. Selon les paramètres micromagnétiques, tels que les champs de résonance et les constantes d'anisotropie déduits des mesures de RFM permettent d'obtenir une rotation de l'axe de facile aimantation de la direction hors du plan [001] à la direction dans le plan [100]. En accord avec le modèle p-d Zener, la commutation d'anisotropie magnétique est attribuée à la compensation de trous induite par l'irradiation. Les résultats présentés montrent que l’irradiation aux ions est un moyen efficace d’ajuster l’anisotropie magnétique dans les semi-conducteurs magnétiques dilués.
Mots clés: Anisotropie magnétique perpendiculaire, fer, implantation d’azote, ferromagnétiquerésonance.
Subject: Control and manipulation of magnetism of ferromagnetic nano-systems
II. Abstract
To illustrate the strong influence of the parameters controlling the induced magnetic anisotropy by spin-orbit coupling, we studied by Ferromagnetic resonance spectroscopy (FMR), magnetic properties of nano-systems, including magnetic anisotropy can be controlled and lowered so as to be sensitive to stresses magnetic. Our thesis work was devoted to the study of two systems ferromagnetics:
- Nitrogen-martensite thin films (Fe-N).
- Dilute Magnetic Semiconductors (DMS) (GaAsMnP) irradiated with helium.
This thesis was realized in collaboration with the Institute of Nano-Sciences of Paris (INSP).
In the first part of our thesis, we have investigated the properties of nitrogen implanted epitaxial Fe films. For an implantation of N 2+ at 26 keV for fluences 1.8x10 16 N 2+ / cm 2to 3.5x10 16N 2+ / cm 2and at an energy of 40 keV with a fluence of 5.3x10 16 N 2+ / cm 2 .At first we made a structural study, using the X-ray diffraction (XRD)to determine the phases present in our samples and by Rutherford backscattering spectrometry(RBS) as well as Elastic Recoil Detection Analysis(ERDA) for determining the depth distribution of the concentration of nitrogen in Fe -N as well as the thickness of the layers.Then we carried out a study of the magnetic properties with the vibrating sample magnetometer (VSM) and the FerroMagnetic Resonance (RFM) as a function of the nitrogen (N) content.We have observed a monotonic increase of the perpendicular magnetic anisotropy with a maximum value of 4.9 × 10 -6 erg / cm 3which can come from the magnetocrystalline anisotropyα 'Fe-N phases.
The second part of our work focused on the study of the magnetic properties of GaMnAsP-He, using FMR. The uniaxial magnetic anisotropy of GaMnAsP is modified by helium ion irradiation. According to the micro-magnetic parameters, e.g. resonance fields and anisotropy constants deduced from FRM measurements, a rotation of the magnetic easy axis from out-of-plane [001] to in-plane [100] direction is achieved. In agreement with the p-d Zener model, the magnetic anisotropy switching is ascribed to the irradiation induced hole compensation. The presenting results show that ion irradiation is an effective way to tune the magnetic anisotropy in dilute magnetic semiconductors.
Description
[s.l] : [s.n], 2019. - 96f. : ill. ; 30cm. + CD Rom.
Bibliogr. ff.90-94
Keywords
Semi - conducteur, Couches mines
Citation
Physique