Dans cette thèse, nous présentons l’étude de l'alliage Fe1−xGax en couche mince monocristallins et d’épaisseur nanométrique. Le travail, de nature expérimentale, a consisté à réaliser une caractérisation magnétique qui inclut l’étude des anisotropies magnétiques, des coefficients de couplages magnéto-élastiques et des domaines magnétiques. Pour cela j’ai utilisé principalement les techniques de résonance ferromagnétique, de mesure du couplage magnétoélastique par déflexion d’un cantilever et de microscopie à force magnétique (MFM). Les anisotropies ont été étudiées en fonction de l’épaisseur du film, de la concentration en Gallium et de la structure atomique, donnant lieu à une description très complète du système. On observe que les couches minces de Fe1−xGax conservent une grande partie des caractéristiques du matériau massif mais présentent également des spécificités. En particulier, on mesure une forte anisotropie hors plan (de l’ordre de dix fois supérieure à l’anisotropie dans le plan) à la fois d’origine magnétocristalline et magnétoélastique, et impliquant une autre contribution d’origine inconnue. Pour expliquer cette dernière contribution, nous avons émis l’hypothèse d’une anisotropie dans la distribution des paires de Ga (qui seraient plus nombreuses hors plan que dans le plan). Nous avons pu modéliser le phénomène en adaptant le modèle phénoménologique de Cullen. Comme conséquence de cette anisotropie hors plan, des domaines magnétiques en forme de bandes ou stripes apparaissent pour des épaisseurs de film supérieures à une épaisseur critique. Ces domaines, peuvent être retournés dans la direction du champ magnétique appliqué. / In this thesis we have introduced the study of the Fe1−xGax alloy grown as monocrystalline thin films of nanometric thicknesses. Our work was of experimental nature and consisted in a magnetic characterization that included the study of magnetic anisotropies, magneto-elastic coupling coefficients and magnetic domains. For this work we principally used three techniques: ferromagnetic resonance, magnetoelastic coupling measurement by deflection of cantilever and magnetic force microscopy . Anisotropies were studied in function of thickness, concentration and atomic structure, achieving an extensive description of the system. It was observed that the films conserved many of the bulk material characteristics, but at the same time they present some singularities that make them different. Particularly, a strong out of plane anisotropy was detected (ten times larger than the anisotropy inside the plane), which has a magnetocrystalline contribution, a magnetoelastic contribution and another one of unknown origin. To explain this last term which we put forward the hypothesis of an anisotropic distribution of Ga pairs (more Ga pairs out of plane than in plane). This last contribution could be modeled by adapting Cullen’s phenomenological model. As a consequence of this out of the plane anisotropy, magnetic domains with stripe pattern appear, for adequate thicknesses. These domains can rotate in the direction of the saturation applied magnetic field.

Cette thèse porte sur l 'étude et le contrôle des caractéristiques de transition de phase dans les films magnétiques. Dans le cas des films pulvérisés par magnétron à base de FeRh, on a étudié l'influence de la composition et de la souche. La caractérisation magnétique, structurale et électrique a été effectuée en fonction de la position sur des films de composition graduelle. L'ajout d'un troisième élément (Pt ou Ni) a été utilisé pour décaler la température de transition. Nous avons établi qu'un changement dans les propriétés optiques se produit dans les films à base de FeRh en passant de l'état FM à l'état AFM. En étudiant la position dépendant de la température de la transition optique, nous avons pu construire un diagramme de phase du système Fe-Rh-Pt. Un tel diagramme de phase détaillé, basé sur une variation continue de composition, met en évidence une stabilité accrue (température de transition plus élevée) de la phase AFM pour une composition spécifique proche de celle équiatomique. Le contrôle de la souche du changement de phase dans les hétérostructures PMN-PT / FeRh a été étudié par des mesures de transport à l'aide des mises au point développées dans cette thèse. La température de transition pourrait être décalée de 22 K jusqu'à l'application d'un champ électrique faible (10 V ~ 0,32 kV / cm). Le changement de résistance induit par la déformation est important, ce qui est intéressant pour les applications. L'état AFM est stabilisé dans les films contraints. Le caractère anisotrope de la souche piézoélectrique joue un rôle important par rapport au changement de volume isotrope. Nous avons réussi à préparer des films de La (Fe, Si) 13 pour la première fois. Bien que les films optimaux présentent des valeurs de température de Curie, de constante de réseau, de variation d'entropie isotherme induite par le champ et d'aimantation spontanée comparables aux valeurs rapportées pour un matériau en vrac de composition similaire, elles présentent également des caractéristiques inhabituelles, c'est-à-dire des courbes M-T irréversibles et une hystérésis thermique inverse. L'élucidation de l'origine de ces effets nécessite une enquête plus approfondie / This thesis deals with the study and control of phase transition characteristics in magnetic films. In the case of FeRh-based magnetron sputtered films, the influence of both composition and strain were studied. Magnetic, structural and electrical characterization was made as a function of position on compositionally graded films. Addition of a third element (Pt or Ni) was used to shift the transition temperature. We established that a change in optical properties occurs in FeRh-based films on passing from the FM to AFM state. By studying the temperature dependent position of the optical transition, we were able to construct a phase diagram of the Fe-Rh-Pt system. Such a detailed phase diagram based on a continuous variation of composition, evidences an enhanced stability (higher transition temperature) of the AFM phase for a specific composition close to the equiatomic one. Strain control of the phase change in PMN-PT/FeRh heterostructures was investigated through transport measurements using set-ups developed in this thesis. The transition temperature could be shifted by up to 22 K upon application of a low electric field (10 V ~ 0.32 kV/cm). The strain-induced resistance change is large, which is attractive for applications. The AFM state is stabilized in strained films. The anisotropic character of the piezo-electric strain plays a significant role compared to the isotropic volume change. We succeeded in preparing films of La(Fe,Si)13 for the first time. While the optimal films show values of Curie temperature, lattice constant, field-induced isothermal entropy change and spontaneous magnetization comparable with values reported for bulk material of similar composition, they also display unusual features, i.e. irreversible M-T curves and an inverse thermal hysteresis. Elucidation of the origin of these effects requires further investigation.

Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie. / Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy.

Le contrôle de la propagation des ondes élastiques repose principalement sur la conception de milieu artificiel à base de matériaux structurés pour obtenir une ingénierie avancée de la dispersion de la propagation. Au cours de la thèse, la dispersion du mode (S0) dans des membranes micro-structurées à base d’AlN a été numériquement investiguée et les applications qui en découlent explorées. Il est mis en évidence le lien fort entre la dispersion du mode et la sensibilité aux perturbations externes en combinant la membrane d’AlN avec une couche de SiO2 structurée en rubans. En particulier, il est montré qu’il est possible d’obtenir un TCF=0 pour les résonateurs sans presque aucune dégradation du coefficient K2. Il est montré qu’il est possible d’ouvrir des bandes interdites avec une largeur de l’ordre de 50% en structurant l’AlN sous forme de rubans ou en utilisant des piliers pour former un PhnC. Sur cette base, des designs de cavités et de guides d’ondes sont proposés et leurs performances sont étudiées en fonction des paramètres géométriques. Il est également proposé un nouveau design de cavité basé sur l’introduction d’un défaut résonant dans le PhnC sous forme de disque de dimension très petite par-rapport à la taille de la cellule élémentaire. Le défaut permet d’introduire des modes quasi-plats dans le diagramme de bande et permet en conséquence la conception d’une nouvelle génération de dispositifs phononiques robustes pour des applications en traitement du signal et capteurs. Les structures optimales sont utilisées pour la conception de capteur de champs magnétiques, une sensibilité de 5% est obtenue pour le mode localisé dans le cas d’un disque magnéto-élastique / The control of elastic wave propagation relies mainly on the design of artificial media based on structured materials to achieve advanced propagation dispersion engineering. During the thesis, the dispersion of the mode (S0) in micro-structured membranes based on AlN was numerically investigated and the resulting applications explored. The strong link between mode dispersion and sensitivity to external disturbances is highlighted by combining the AlN membrane with a layer of SiO2 structured into strips. In particular, it is shown that it is possible to obtain a TCF = 0 for the resonators without any degradation of the K2 coefficient. It is shown that it is possible to open wide band-gaps of 50% by structuring the AlN in the shape of strips or using pillars to form a PhnC. On this basis, designs of cavities and waveguides are proposed and their performances are studied according to the geometrical parameters. It is also proposed a new cavity design based on the introduction of a resonant defect with a disc shape in the PhnC and presenting very small size in comparison to the unit cell. The defect makes it possible to introduce quasi-flat modes in the band diagram and consequently allows the design of a new generation of phononic devices for signal processing and sensor applications. The optimal structures are used to design a magnetic field sensor design, a sensitivity of 5% is obtained for the localized mode in the case of defect based on magneto-elastic thin film.

Avec l’avènement du laser femtoseconde il est devenu possible de mesurer comment la démagnétisation femtoseconde peut permettre de sonder l’interaction d’échange dans les métaux ferromagnétiques. La démagnétisation induite par laser d’un matériau avec un fort couplage magnéto-élastique amène à la relaxation des contraintes mécaniques, générant ainsi des ondes acoustiques longitudinales (L) et transversales (T). Dans ce travail de thèse, la génération d’impulsions acoustiques picosecondes T par le mécanisme de démagnétostriction dans des matériaux fortement magnétostrictifs est traitée analytiquement et montrée expérimentalement dans le cas d’un alliage de Terfenol. En premier lieu, nous avons développé un modèle phénoménologique de magnétostriction directe dans un film monocristallin de Terfenol. Les expériences pompe-sonde linéaire MOKE résolues en temps montrent que la relaxation transitoire des contraintes magnéto-élastiques du film amène à l’excitation d’ondes GHz acoustiques L at T. Ces résultats sont la première observation expérimentale de l’excitation d’ondes acoustiques transversales picoseconde par mécanisme de démagnétostriction induit par laser. En second lieu, nous avons analysé le processus d’interaction d’ondes acoustiques L avec l’aimantation d’un film mince de Terfenol. L’onde acoustique picoseconde produit un changement de magnétisation du film et induit la conversion de modes acoustiques. C’est une autre voie de génération d’ondes acoustiques T que nous avons mis en évidence. La gamme de fréquence des impulsions générées est liée à l’échelle de temps de démagnétisation, qui corresponds à quelques centaines de GHz - 1 THz. / With the advent of femtosecond lasers it became possible to measure how femtosecond optical demagnetization can probe the exchange interaction in ferromagnetic metals. Laser-induced demagnetization of materials with strong magneto-elastic coupling should lead to the release of its build-in strains, thus to the generation of both longitudinal (L) and shear (S) acoustic waves. In this thesis, generation of shear picosecond acoustic pulses in strongly magnetostrictive materials such as Terfenol is processed analytically and shown experimentally. In case of Terfenol with strong magneto-crystalline anisotropy, laser induced demagnetostriction is responsible for S excitation. First, the phenomenological model of direct magnetostriction in a Terfenol monocrystalline film is developed. The shear strain generation efficiency strongly depends on the orientation of the film magnetization. Time-resolved linear MOKE pump-probe experiments show that transient laser-induced release of the magnetoelastic strains lead to the excitation of GHz L and S acoustic waves. These results are the first experimental observation of picosecond shear acoustic wave excitation by laser-induced demagnetostriction mechanism. Second, the interaction of an optically generated L acoustic pulse with the magnetization of a Terfenol thin film is reported. Arrival of the picosecond strain wave alters a change of its magnetization and leads to acoustic mode conversion, which is another pathway of shear acoustic wave generation. The frequency bandwidth of the generated acoustic pulses matches the demagnetization timescale and lies in the range of several hundreds of GHz, close to 1 THz.