Le but de cette thèse est l’obtention de matériaux multiferroïques par l’insertion de molécules organiques dans une matrice magnétique d’hydroxide simple lamellaire. Durant cette thèse a été démontré la faisabilité de la fonctionnalisation d’hydroxides simples lamellaires de cuivre et de cobalt par des molécules possédant des fonctions d’accroche acide phosphonique. Le développement des techniques de pré-fonctionnalisation a permis de fonctionnaliser ces hydroxides simple lamellaire par une variété importantes de molécules (fluorènes, benzènes, thiophènes et complexes de métaux de transition) afin d’apporter une propriété additionnelle au magnétisme de l’hydroxyde. Les premières mesures ont permis de mettre en évidence un couplage entre temperature d’ordre magnétique et anomalie diélectrique. La complexité de la mesure des propriétés diélectriques avec ces échantillons (sur poudre pastillées à froid) ont mis en lumière la nécessité d’obtenir des tailles de cristallites plus importantes. Des efforts sur la taille des cristallites ont donc été effectués et ont permis d’obtenir des monocristaux d’hydroxy- dodecylsulfate de cuivre. / The main goal of this thesis is to obtain multiferroic materials via the intercalation of organic molecules in a magnetic inorganic matrix made of layered simple hydroxide. The possibility to use phosphonic acid as grafting moiety for the functionalization of layered simple hydroxides has been demonstrated during this thesis. Pre-functionalization techniques has allowed the functionalization of layered simple hydroxides of copper and cobalt with a wide variety of molecules (fluorenes, benzenes, thiophenes or transition- metal complexes) to bring an additional property to the magnetic properties of the layered hydroxide. The first measurements revealed a coupling between magnetic ordering temperature and dielectric anomaly. The dielectric properties measurements proved to be difficult with the samples (on cold-pressed pellets) and shown the usefulness of developing new methods to improve the cristallite size. To that end, new syntheses procedures led to the obtention of mono crystals of copper-hydroxidodecylsulfonate allowing to get additional structural informations.

L'effet magnétoélectrique direct est défini par la modification de la polarisation électrique à partir de l'application d'un champ magnétique. Bien que cet effet existe de manière intrinsèque dans certains matériaux, nous étudions ici l'effet extrinsèque, où l'effet magnétoélectrique résulte d'un couplage intermédiaire entre deux phases distinctes. Dans ce cas, l'idée la plus répandue est de lier mécaniquement (par un collage) un matériau piézoélectrique à un matériau magnétostrictif. Ainsi, en appliquant un champ magnétique, le matériau magnétostrictif se déforme, transmet une contrainte au matériau piézoélectrique qui voit sa polarisation changer. Dans cette thèse nous nous intéressons à deux types de composites magnétoélectriques laminaires. Ceux employant les ferrites magnétostrictifs doux (ferrite de nickel) et ceux qui utilisent les ferrites semi-durs (ferrite de cobalt). Pour chacun des composites, on s'intéresse à optimiser l'effet magnétoélectrique en mettant en avant les paramètres qui l'influencent majoritairement. De ce fait, nous traitons différents aspects tels que l'influence de l'effet démagnétisant dans les multicouches, de la fraction volumique des composites, des phases secondaires, de la magnétostriction dynamique, de l'anisotropie magnétique uniaxe, et enfin de la fréquence et de l'amplitude du champ d'excitation magnétique sur l'effet magnétoélectrique. Grâce à la compréhension de ces phénomènes, nous avons pu optimiser le couplage magnétoélectrique de manière à développer un capteur de courant présentant des caractéristiques comparables aux capteurs de courant actuellement commercialisés et qui utilisent d'autres technologies (effet Hall, transformateur de courant). / The direct magnetoelectric effect is defined by the modification of the electric polarization induced by a magnetic field. Although this effect exists intrinsically in some materials, here we study the extrinsic effect, where the magnetoelectric effect results from an intermediate coupling between two distinct phases. In this case, the most common idea is to mechanically couple (by gluing) a piezoelectric material to a magnetostrictive material. Thus, by applying a magnetic field, the magnetostrictive material is deformed and transmits a stress to the piezoelectric material which makes its polarization change.In this thesis, we are interested in two types of laminar magnetoelectric composites: those using soft magnetostrictive ferrites (nickel ferrite) and those using semi-hard ferrites (cobalt ferrite). For each composites, we want to optimize the magnetoelectric effect by highlighting the parameters that mainly influence this coupling. As a result, we deal with different aspects such as the influence of the demagnetizing effect in multilayers, the volume fraction in the composites, the secondary phases, the dynamic magnetostriction, the uniaxial magnetic anisotropy, and finally the frequency and the amplitude of the magnetic exciting field on the magnetoelectric effect. Thanks to the understanding of the physical phenomena involved and the optimization of the resulting magnetoelectric coupling, we have been able to develop a current sensor with characteristics comparable to currently marketed current sensors that use other technologies (Hall effect, current transformer).

Les récentes découvertes sur les phénomènes hyperfréquences et nonlinéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires ont fait émerger un grand nombre de nouvelles études et applications pratiques prometteuses. La conversion de l'énergie magnétoélastique peut être beaucoup plus efficace à proximité de la transition de réorientation de spin (TRS). Les structures minces ferromagnétiques actives planaires fournissent un grand nombre de caractéristiques haute fréquence uniques : par exemple, les conditions pour l'effet Doppler anomal peuvent être satisfaites. Les cristaux magnoniques représentent également un domaine prometteur pour les futures investigations.Dans le présent travail nous avons établi la description théorique de la propagation des ondes hyperfréquences et non-linéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires de compositions différentes. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que les vibrations basse fréquence d'un cantilever peuvent être amplifiées quand la résonance ferromagnétique est excitée par un champ électromagnétique HF à proximité de la TRS. En outre, l'effet de la démodulation magnétoélastique peut être complété par un effet magnétoélectrique nonlinéaire. La possibilité de l'apparition de l'effet Doppler anomal lors de la propagation d'une onde de surface magnétostatique dans une structure ferrite-diélectrique-métal, dans une certaine plage de paramètres du système, est démontrée. La dispersion d'une onde magnétostatique de surface se propageant dans un film dont l'épaisseur varie linéairement, et possédant une structure périodique sous la forme de bandes parallèles gravées, a été calculée

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d'envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d'énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l'instant pas disponibles. Les matériaux qui font l'objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d'excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d'un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif.

Les concepts de matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques permettent d’envisager de nouveaux dispositifs de mémoires plus performants et moins consommateurs d’énergie. Malheureusement de tels matériaux présentant ces propriétés à température ambiante ne sont pour l’instant pas disponibles. Les matériaux qui font l’objet des études présentées dans ce manuscrit, les ferrites de gallium Ga2-xFexO3, 0,7 ≤ x ≤ 1,4, sont d’excellents candidats. Le présent travail de thèse en a étudié les propriétés électriques, tant sur matériaux massifs que couches minces. Nous avons mesuré une polarisation sur composés massifs du même ordre de grandeur que celle précédemment déterminée par calculs ab initio. Une considérable réduction des courants de fuite habituellement observés en couches minces a été possible grâce à la substitution de Fe2+ par Mg2+. Une polarisation réversible et un effet magnétoélectrique ont alors pu être mis en évidence. Compte tenu du caractère ferrimagnétique à température ambiante des couches minces considérées, ceci constitue la première manifestation d’un matériau multiferroïque et magnétoélectrique à réel intérêt applicatif. / Concepts of multiferroic and magnetoelectric materials allow designing new memory devices with better performances and less energy consumption. Unfortunately, such materials with room temperature applicability are not yet available.The material concerned by this study, gallium ferrites Ga2-xFexO3, 0.7 ≤ x ≤ 1.4, are excellent candidates for such applications. This work aimed at studying the electrical properties of the bulk material, as well as in thin films. We have measured a polarization on the bulk samples comparable to the value estimated by first principle calculations. A considerable reduction of the leakage currents usually observed in oxide thin films has been achieved by the doping by substitution of Fe2+ in the structure, using Mg2+. A switchable polarization and a magnetoelectric effect at room temperature in thin films have been observed. Considering the room temperature ferrimagnetic behavior of this compound, this is the first manifestation of a multiferroic and magnetoelectric with real potential and technological applications.

L’effet magnétoélectrique (ME) se traduit par la possibilité d’induire une magnétisation à l’aide d’un champ électrique (effet direct) ou celle d’induire une polarisation électrique à l’aide d’un champ magnétique (effet inverse). Les composites laminés qui possèdent de grands coefficients ME ont généré beaucoup d’intérêt dans le domaine des capteurs, des modulateurs, des interrupteurs et des inverseurs de phase. Dans cette thèse, nous présentons les performances de composites dits laminés à deux ou trois couches. Il a été montré que l’on pouvait obtenir des performances en conversion magnéto-électrique directe en associant des phases magnétostrictives et piézoélectriques. Une modélisation de leur comportement basée sur un oscillateur mécanique a été proposée. Elle a été en particulier utilisée pour simuler le couplage mécanique entre deux couches. Une autre approche pour développer des dispositifs originaux a consisté à utiliser un champ magnétique alternatif pour induire des courants de Foucault dans des électrodes métalliques et une Force de Lorentz en présence d’un deuxième champ magnétique continu. Si ces électrodes recouvrent un matériau piézoélectrique, la force de Lorentz sera alors convertie en signal électrique suivant l’effet direct. Cette approche permet donc de développer des dispositifs de conversion électromagnétique sans phase magnétique. Différents prototypes utilisant un bimorphe piézoélectrique, un film de PVDF et une céramique piézoélectrique ont été réalisés et caractérisés. Un signal électrique proportionnel à la composante continue du champ magnétique a été mis en évidence, ce qui ouvre des applications pour la détection magnétique. Cette thèse s’est également intéressée à l’augmentation du coefficient d’électrostriction par injection de charges électriques en utilisant la technique de décharge Corona. Cette étude a été réalisée sur du polypropylène, connu pour sa capacité à stocker des charges électriques. Le mécanisme de stockage de charge et l’effet sur l’électrostriction ont été étudiées par la mesure du potentiel de surface, la mesure des courants thermo-stimulés, la calorimétrie différentielle et l’interférométrie Laser. L’injection de charges a contribué à une augmentation de la permittivité et par la même à celle du coefficient d’électrostriction, en accord avec un modèle simple de distribution de charges dans l’échantillon. / Magnetoelectric (ME) interactions in matter correspond to the appearance of magnetization by means of an electric field (direct effect) or the appearance of electric polarization by means of a magnetic field (converse effect). The composite laminates which possess large ME coefficient, have attracted much attention in the field of sensors, modulators, switches and phase inverters. In this thesis, we report on the ME performances of the bi- and tri- layered composites. It is shown that their ME couplings can be achieved by combining magnetostrictive and piezoelectric layers. A model based on a driven damped oscillation is established for the piezoelectric/magnetostrictive laminated composite. It is used to simulate the mechanical coupling between the two layers. In addition, we report that the ME coupling can be achieved without magnetic phase but only with eddy current induced Lorentz forces in the metal electrodes of a piezoelectric material induced by ac magnetic field. The models based on the Lorentz effect inducing ME coupling in PZT unimorph bender, polyvinylidene fluoride (PVDF) film and PZT ceramic disc are thus established. The results show the good sensitivity and linear ME response versus dc magnetic field change. Thus, the room temperature magnetic field detection is achievable using the product property between magnetic forces and piezoelectricity. Besides, we report on the electrostrictive performance of cellular polypropylene electret after high-voltage corona poling. We use the Surface Potential test, Thermal Stimulated Depolarization Current experiment and Differential Scanning Calorimetry experiment to analyse its charge storage mechanism. The result show that the electrostrictive coefficient and relative permittivity of the charged samples increase. Last but not least, in order to explain this phenomenon, a mathematic model based on the charged sample has been established.

Les matériaux multiferroïques et/ou magnétoélectriques sont riches en promesses de nouvelles applications, comme par exemple des mémoires quatre états à densité accrue ou des mémoires magnétoélectriques à faible consommation d’énergie. Ces promesses restent cependant pour l’instant lettres mortes en raison du très faible nombre de matériaux présentant ces propriétés à température ambiante, et des forts courants de fuite qu’ils présentent en couches minces. Cette thèse porte sur un matériau prometteur en termes d’applications, car magnétoélectrique et ferrimagnétique à température ambiante, le ferrite de gallium de composition Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).Nous avons démontré la possibilité de réduire les courants de fuite et moduler à volonté le type de conduction n ou p dans les couches minces de cet oxyde transparent, semi-conducteur, et magnétique, par dopage par des ions Ni2+. Une optimisation de la croissance de GFO par pulvérisation cathodique a par ailleurs montré qu’il était possible de le déposer sous champ électrique, ce qui ouvre d’intéressantes perspectives pour l’optimisation de la polarisation électrique des couches minces. / The multiferroic and/or magnetoelectric materials are full of promises in terms of new applications, such as for example higher density four state memories or lower power consuming magnetoelectric memories. These promises are however actually put off because too few materials present these properties at room temperature and because their thin films present too high leakage currents. This thesis focusses on a room temperature magnetoelectric and ferrimagnetic material promising in terms of applications, the gallium ferrite Ga0.6Fe1.4O3 (GFO).We have demonstrated the possibility to strongly reduce the leakage currents and perfectly tune from n to p the conduction type in transparent, semi-conducting, and magnetic thin films of GFO through Ni2+ doping. The optimization of the growth of GFO thin films by sputtering has moreover shown the possibility of deposition under an electric field, which opens ways to control of the electric polarization of the films.

Les récentes découvertes sur les phénomènes hyperfréquences et nonlinéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires ont fait émerger un grand nombre de nouvelles études et applications pratiques prometteuses. La conversion de l'énergie magnétoélastique peut être beaucoup plus efficace à proximité de la transition de réorientation de spin (TRS). Les structures minces ferromagnétiques actives planaires fournissent un grand nombre de caractéristiques haute fréquence uniques : par exemple, les conditions pour l’effet Doppler anomal peuvent être satisfaites. Les cristaux magnoniques représentent également un domaine prometteur pour les futures investigations.Dans le présent travail nous avons établi la description théorique de la propagation des ondes hyperfréquences et non-linéaires dans les structures minces ferromagnétiques actives planaires de compositions différentes. Il a été démontré expérimentalement et théoriquement que les vibrations basse fréquence d’un cantilever peuvent être amplifiées quand la résonance ferromagnétique est excitée par un champ électromagnétique HF à proximité de la TRS. En outre, l'effet de la démodulation magnétoélastique peut être complété par un effet magnétoélectrique nonlinéaire. La possibilité de l'apparition de l'effet Doppler anomal lors de la propagation d'une onde de surface magnétostatique dans une structure ferrite-diélectrique-métal, dans une certaine plage de paramètres du système, est démontrée. La dispersion d'une onde magnétostatique de surface se propageant dans un film dont l'épaisseur varie linéairement, et possédant une structure périodique sous la forme de bandes parallèles gravées, a été calculée / Recently discovered investigations on the high frequency and nonlinear phenomena in thin active ferromagnetic planar structures showed a great number of new studies and promising practical applications. The magnetoelastic energy conversion can be much more efficient in the vicinity of spin reorientation transition (SRT). The thin active ferromagnetic planar structures provide a lot of unique high frequency features: for instance, the anomalous Doppler effect conditions can be satisfied. The magnon crystals are also an actual area for the further investigation of the domain.In the present work we derived the theoretical description for the high frequency and non-linear waves propagation in thin planar ferromagnetic structures with different compositions. It was demonstrated experimentally and theoretically that LF vibrations of the cantilever can be amplified when FMR is excited by HF electromagnetic field near SRT. Moreover the magnetoelastic demodulation effect can be supplemented with nonlinear magnetoelectric effect. The possibility of the occurrence of the anomalous Doppler effect during propagation of an MSSW in an FDM structure in a certain range of system parameters is substantiated. The dispersion of a surface magnetostatic wave propagating in a film, whose thickness varies linearly, with a periodic structure in the form of parallel etched strips was calculated. As it was clearly demonstrated these works are of great interest for the new studies and practical applications