La recherche de nouveaux matériaux absorbant les ondes électromagnétiques dans le domaine des hyperfréquences est devenue un enjeu majeur avec le développement croissant des moyens de communication et, corrélativement, le besoin de se prémunir efficacement contre la « pollution » électromagnétique (protection des équipements et des personnes). Dans ce manuscrit, nous nous intéressons à un matériau composite anisotrope constitué d'une matrice polymère chargée en particules ferromagnétiques aplaties appelées pétales. Ce type de composite suscite actuellement un intérêt grandissant dans la communauté grâce aux nombreux avantages qu'il présente (ajustement de la bande d'absorption en fonction de la nature et du rapport de forme des charges, faible épaisseur du revêtement). Le champ de cette étude s'est voulu relativement large afin d'avoir une vue d'ensemble des problématiques liées à ces composites à base de pétales et cela à plusieurs échelles. Dans un premier temps, une étude originale a été menée sur le pétale seul. Après des travaux préliminaires portant sur l'élaboration des pétales et leurs propriétés morphologiques, des caractérisations magnétiques statiques et dynamiques ont été réalisées sur un pétale unique. Le spectre de perméabilité obtenu met en évidence trois résonances. Une étude complémentaire menée sur des objets de mêmes dimensions élaborés par PVD et structurés par FIB a permis, par analogie, d'attribuer ces trois résonances respectivement aux domaines, aux parois et au vortex joignant les parois. Dans un second temps, une étude approfondie a été menée sur le composite complet. L'adaptation de la technique de perméamétrie par perturbation de spire a rendu possible la caractérisation fine et complète de matériaux composites épais avec ou sans champ magnétique statique appliqué et pour différentes directions de pompage. Celle-ci a permis de confirmer l'origine des différentes résonances malgré le désordre structurel caractéristique des milieux composites. Pour finir, une étude à vocation plus applicative a été réalisée établissant le lien fort entre la microstructure (porosité, orientation et taille des particules) et les propriétés électromagnétiques du composite. Le potentiel industriel, tant d'un point de vue de l'élaboration que des performances, a pu être démontré. / Research on new microwave absorbing materials has become a major issue with the growing development of wireless communications and, accordingly, the need to shield effectively from the electromagnetic "pollution" (protection of equipment and persons).In this manuscript, we focus on an anisotropic composite consisting of aligned ferromagnetic flakes embedded in a nonmagnetic matrix. There is currently a growing interest for this kind of composite in the community due to the many benefits it provides (adjustment of the absorption band as a function of both nature and flakes aspect ratio, thin composite coating). The scope of this study was deliberately relatively large in order to get an overview of issues related to these flakes composites at several scales. At first, an original study was conducted on a single flake. After preliminary work on the development of flakes and their morphological properties, static and dynamic magnetic characterizations were performed on a single flake. The permeability spectrum obtained shows three resonances. A complementary study on objects of the same size, produced by PVD and structured by FIB has, by analogy, attributed these three resonances to respectively, domains, domains wall and an embedded vortex (vortex linked with several domains walls).In a second step, the evolution of the shorted microstrip permeametry technique made possible the detailed and complete characterization of thick composites with or without a static magnetic field applied in different directions and for various pumping directions. This confirmed the origin of the different resonances despite the characteristic structural disorder of composite media.Finally, an applicative study was conducted establishing the strong link between the microstructure (porosity, particle size and orientation) and the electromagnetic properties of the composite. Taking into consideration both elaboration and performance point of views, the industrial potential of this composite has been demonstrated.

Contrôle électrique du champ magnétique dans les films ferromagnétiques minces a attiré de grandes attentions comme une caractéristique prometteuse qui pourrait conduire à des appareils électroniques rapides, ultra-bas et non volatils. La clé pour réaliser de tels dispositifs est de modifier efficacement l'anisotropie magnétique. Dans cette thèse, le contrôle de l'anisotropie magnétique et de la dynamique des parois de domaine a été étudié dans diverses structures basées sur des films minces CoFeB et Pt / Co. Les propriétés magnétiques et diélectriques des films minces CoFeB / MgO avec une couche de recouvrement différente (Ta, HfO2, Al2O3) ont d'abord été étudiées pour trouver le matériau optimal de l'effet de champ électrique. La couche de coiffage montre un effet non négligeable sur l'anisotropie magnétique du film CoFeB et une constante diélectrique élevée de 45 est obtenue dans une structure MgO / HfO2.Un liquide ionique [EMI] [TFSI] a été utilisé pour promouvoir l'effet de champ électrique dans les films magnétiques. L'effet du champ électrique a été étudié dans le liquide CoFeB / MgO / ionique et les structures liquides ioniques CoFeB / MgO / HfO2 / ioniques. L'efficacité du champ électrique sur l'anisotropie magnétique pour ces deux structures est de 60 fJ / Vm et 82 fJ / Vm, respectivement. En attendant, le liquide ionique CoFeB / MgO / HfO2 / ionique présente une plus grande stabilité contre l'environnement et la tension, ce qui permet une commutation facile à l'axe de l'avion dans un avion. En outre, l'effet de champ électrique dans la structure liquide Pt / Co / ionique a été étudié. Un effet important et non volatil peut être observé. / This thesis focused on controlling magnetic anisotropy and domain wall dynamics in magnetic thin films. Thin CoFeB/MgO Ims with different capping layers were deposited to find suitable materials to fabricate a high performing E-field effect device. The E-field effect was studied in a Ta/CoFeB/MgO stack, a Ta/CoFeB/MgO/HfO2 stack and a Pt/Co/HfO2 stack assisted by ionic liquid gating. Large E-field effects on magnetic anisotropy were obtained and E-field effect on domain wall propagation, pining and depining were observed. The major conclusions of this thesis are listed below.Magnetic and dielectric properties of CoFeB/MgO/(Ta, HfO2 and Al2O3) havebeen studied.All studied samples show PMA with different values of HK. In as grown films,samples with Ta as protecting layer show the lowest HK. Highest HK is foundwhen capping with 30 nm HfO2 in 0.8nm (746 mT) and 1nm (218 mT) thickCoFeB films. After annealing at 290 degree, there is a general increase of HK. The largest HK of 1082 mT and 524 mT are found for 10 nm Al2O3 in 0.8 nmCoFeB samples and 1 nm CoFeB samples, respectively. HK can be varied up to 100 mT for 1 nm thick CoFeB samples and up to 220 mT for 0.8 nm thick CoFeB samples indicating a non-negligible effect of the capping layer on the surface magnetic anisotropy of thin films.A high dielectric constant of 45 is obtained in a MgO (2 nm)/HfO2 (30 nm) structure. The breakdown voltage increases with annealing temperature, however, there is a large decrease in the dielectric constant after annealing at 290 degrees. By decreasing the annealing temperature to 250 degree, the high dielectric constant can be preserved with an improved breakdown voltage. Aging effect on HK and -K2/K1 of samples with different capping layers has been studied. HK is not necessary decreasing, but inhomogeneities in the magnetic properties occur in aged samples. Aging increases -K2/K1 which could help the formation of an easy-cone state. Stability of a MgO (2 nm) layer incontact with an IL and ionic film has been studied. After recording HK for months, it has been found that a MgO/IL structure can not preserve a highmagnetic anisotropy but is able to remain relatively stable in a low anisotropy state. A MgO/ionic film structure is found to be stable since no sign of degradation was found. The stability of samples with a simple MgO (2 nm)/HfO2 structure has been tested. Ms of the sample covered with an IL and the one not covered with IL have been recorded for one month. It is found that the change is within 3% indicating a stable structure against ambient conditions and the IL.The E-field effect has been studied in the low and high PMA states of aTa/CoFeB/MgO/IL sample. PMA of the device evolves from a high PMA state to a low PMA state which can be linked to a potential increase in the oxygen content of MgO due to air exposure during fabrication and operation. In the high PMA state, domain wall velocities in the creep regime can be modulated by a factor of 4.2 and the coercive field increases by a factor of 1.3 when going from -0.8 V to 0.8V. In the low PMA state, a large modulation of the anisotropy field reaches 80 mT per V/nm with a low leakage current. The applied E-fields are seen to significantly influence DWs' pinning, depinning and nucleation processes. The results presented here show that a solid/liquid device structure based on CoFeB/MgO thin films can be an interesting approach to control magnetic properties with gate voltages below 1 V over large areas, allowing for potential parallel operation of pinning/nucleation units.The E-field effect has been studied in a Ta/CoFeB/MgO/HfO2/IL sample.

Le premier volet de ce document est dédié à l'obtention des grandeurs effectives d'un cristal photonique monodimensionnel. La méthode employée consiste à calquer les propriétés en dispersion et en réflexion d'un cristal sur celles d'un milieu homogène anisotrope. Cette nouvelle approche permet d'atteindre les permittivité et perméabilité effectives du cristal sous la forme d'un couple de tenseurs. Leur expression indique un critère nécessaire pour réaliser l'adaptation d'impédance entre un cristal et le milieu ambiant. Celui-ci est alors étendu puis appliqué aux cristaux bidimensionnels.<br />Le second volet est l'étude du guidage de modes quasi-TEM uniformes dans un guide métallique au moyen de parois structurées. Les structures sont des surfaces hard analysées grâce à la méthode modale tandis que les guides d'ondes associés le sont par une extension de la méthode des sources fictives. Cartes de champs et relations de dispersion révèlent le comportement des surfaces et guides envisagés.

Les mémoires MRAM (Magnetic Random Access Memory) sont l’une des technologies émergentes visant à devenir un dispositif de mémoire «universelle» applicable à une grande variété d’applications. La combinaison du couple de spin-orbite (SOT) résultant de l’effet Hall de spin (SHE) et de l’interaction de Dzyaloshinskii – Moriya (DMI) aux interfaces entre un métal lourd et une couche ferromagnétique s’est révélée être un mécanisme efficace pour induire une propagation de parois magnétiques chirales à des faibles densité de courant. Les dispositifs à parois magnétiques devraient constituer la prochaine génération de supports d’information en raison de leur potentiel pour des densités de stockage très élevées. Cependant, une limitation cruciale est la présence de défauts structuraux qui piègent les parois magnétiques et induisent des courants de seuil élevés ainsi que des effets stochastiques importants. L’origine du piégeage résulte de la présence de défauts structuraux aux interfaces entre la couche magnétique ultra-mince et les autres couches (isolants et/ou métaux lourds) qui induisent une distribution spatiale des propriétés magnétiques comme l’anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) ou le DMI. Comprendre l’influence de la structure des interfaces sur la propagation de parois et sur le DMI en particulier est cruciale pour la conception de futurs dispositifs basse consommation. C’est dans ce contexte très novateur que mon doctorat s’est focalisé sur la manipulation de la structure des interfaces dans des couches ultra-minces à anisotropie magnétique perpendiculaire. Des structures de CoFeB-MgO ont été utilisées afin de mieux comprendre l'impact de la structure des interfaces sur l’anisotropie, le DMI, la propagation de parois et les phénomènes de SOT. L’approche innovante que nous avons utilisée est basée sur l’irradiation par des ions légers pour contrôler le degré de mélange aux interfaces. Sous l’effet du mélange induit par l’irradiation, nous avons observé dans des structures de W-CoFeB-MgO une forte augmentation de la vitesse de parois dans le régime de creep, compatible avec une réduction de la densité des centres de piégeage. Nous avons aussi démontré que l'anisotropie de l'interface Ki et le DMI mesuré par propagation asymétrique de parois se comportent de la même façon en fonction du mélange aux interfaces. Finalement, nous avons fabriqué des barres de Hall afin de mesurer la commutation de l’aimantation induite par SOT. Le centre des croix de Hall a été irradié afin de diminuer localement l’anisotropie. Nous avons observé une réduction de 60% de la densité de courant critique après l’irradiation correspondant au retournement des croix de Hall irradiés par propagation de parois. Notre étude fournit de nouvelles pistes concernant le développement de mémoires magnétiques à faible consommation, de dispositifs logiques et neuromorphiques. / Magnetic Random Access Memory (MRAM), as one of the emerging technologies, aims to be a “universal” memory device for a wide variety of applications. The combination of the spin orbit torque (SOT) resulting from the spin Hall effect (SHE) and the Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) at interfaces between heavy metals and ferromagnetic layers has been demonstrated to be a powerful mean to drive efficiently domain-wall (DW) motion, which are expected to be the promising next generation of information carriers owing to ultra-low driving currents and ultra fast DW motion. However, the crucial limitation of SOT induced domain wall motion results from the presence of pinning defects that can induce large threshold currents and stochastic behaviors. Such pinning defects are strongly related to structural inhomogeneities at the interfaces between the ultra-thin ferromagnetic layer and the other materials (insulator and/or heavy metals) that induce a spatial distribution of magnetic properties such as perpendicular magnetic anisotropy (PMA) or DMI. Therefore, understanding the role of the interface structure on DW motion and DMI is crucial for the design of future low power devices.It is under this innovative context that my Ph.D. research has focused on the manipulation of interface structure in ultra-thin magnetic films with perpendicular magnetic anisotropy. CoFeB-MgO structures have been used in order to understand the impact of interface structure on anisotropy, DMI, domain wall motion and SOT phenomena. The innovative approach we have used in this PhD research is based on light ion irradiation to control the degree of intermixing at interfaces. In W-CoFeB-MgO structures with high DMI, we have observed a large increase of the DW velocity in the creep regime upon He⁺ irradiation, which is attributed to the reduction of pinning centres induced by interface intermixing. Asymmetric in-plane field-driven domain expansion experiments show that the DMI value is slightly reduced upon irradiation, and a direct relationship between DMI and interface anisotropy is demonstrated. Using local irradiated Hall bars in SOT devices, we further demonstrate that the current density for SOT induced magnetization switching through DW motion can be significantly reduced by irradiation. Our finding provides novel insights into the development of low power spintronic-memory, logic as well as neuromorphic devices.