Cette étude a été motivée par les nombreux avantages du procédé de micromoulage, qui couple la croissance électrolytique et la localisation du film avec un moule en résine épaisse. Ce procédé permet en effet la réalisation de micro-objets, dont les dimensions sont uniquement dépendantes de la résolution des techniques de lithographie employées pour définir les moules en résine. Le micromoulage permet donc de réaliser des microstructures métalliques et est compatible avec la technologie MEMS. Nous avons mis en évidence l’influence de différents paramètres expérimentaux dans le cadre de l’étude de la croissance électrolytique du samarium-cobalt en solution aqueuse dans une cellule de Hull. Cette étude nous a permis de déterminer plusieurs points de fonctionnement conduisant à des teneurs en samarium et des épaisseurs élevées : jusqu'à 50 % de samarium et plusieurs microns d’épaisseur. En outre, un certain nombre d’hypothèse ont été émises, qui lient le procédé d’élaboration et le mécanisme de croissance. Nous avons aussi réussi a montré qu’il est possible de réaliser des micromotifs de plusieurs microns d’épaisseur contenant un rapport Sm/(Sm+Co) relativement élevé (10 %) et une faible contamination en oxygène (8 %). / This study was motivated by the advantags of micromolding process, which couples the electrolytic growth and location of the film with a thick resin mold. This method makes it possible the achievement of micro-objects, the dimensions of which are only dependent on the resolution of the lithographic techniques used to define the resin molds. The micromolding can therefore produce metal microstructures and is compatible with MEMS technology. We have highlighted the influence of various experimental parameters in the context of the study of the electrolytic growth of samarium-cobalt in aqueous solution in a Hull cell. this study allowed us to identified several operating points resulting in samarium contents and high thicknesses up to 50% of samarium and several microns thick. In addition, a number of hypotheses have been put forward, which link the process of development and growth mechanism. We also successfully showed that it is possible to create micropatterns of several microns thick report containing Sm / (Sm + Co) relatively high (10%) and low oxygen contamination (8%).

Aufgrund der sehr hohen magnetokristallinen Anisotropiekonstante eignet sich besonders die Phase SmCo5 für zukünftige Festplattenmedien mit hoher Speicherdichte. Durch die starke Oxidationsneigung und die gegebene chemischen Ähnlichkeit anderer Seltenen Erden ist es eine Herausforderung hartmagnetische SmCo-basierte Nanopartikel mittels Inertgaskondensation herzustellen. Zudem bestimmt die Oberflächenenergie maßgeblich die Eigenschaften von Nanopartikeln, sodass ein Element mit einer geringen solchen energetisch bevorzugt die Oberfläche bildet. Diese Arbeit zeigt auf, wie die sauerstoffbasierte Oxidation und die unterschiedlichen Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elemente die Struktur, die Morphologie und die chemische Verteilung der Elemente innerhalb der Nanopartikel beeinflussen und so die Legierungsbildung einer hartmagnetischen Sm(Pr)Co-Phase steuern. Mithilfe von aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit Elektronenenergieverlustspektroskopie werden Morphologie, Elementverteilung und Struktur von unterschiedlich hergestellten Sm(Pr)Co-Nanopartikeln untersucht und analysiert. Die auftretende Segregation der Seltenen Erden an die Oberfläche der Nanopartikel wird zum einen auf eine sauerstoffinduzierte, zum anderen auf eine intrinsische Segregation, also eine durch unterschiedliche Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elementen hervorgerufene Segregation zurückgeführt. Anhand eines entwickelten geometrischen Modells wird zwischen den beiden Ursachen der Segregation unterschieden. Das Verständnis um die kausalen Zusammenhänge der Segregation lässt den Schritt zur Herstellung hartmagnetischer intermetallischer SmCo-basierter Nanopartikel zu. Hierzu werden speziell Nanopartikelagglomerate geformt und optisch in einem Lichtofen erhitzt, sodass die Primärpartikel in den Agglomeraten versintern und schließlich das resultierende sphärische Partikel kristallisiert. HRTEM-Aufnahmen und Elektronenbeugung bestätigen die erfolgreiche Herstellung von SmCo5- und Sm2Co17-basierten Nanopartikeln. Die Koerzitivfeldstärke dieser Partikelensembles beträgt 1,8T und einem Maximum in der Schaltfeldverteilung bei 3,6T. Die magnetischen Eigenschaften spiegeln die analysierten strukturellen, morphologischen und chemischen Eigenschaften der Nanopartikel wider.

Aufgrund der sehr hohen magnetokristallinen Anisotropiekonstante eignet sich besonders die Phase SmCo5 für zukünftige Festplattenmedien mit hoher Speicherdichte. Durch die starke Oxidationsneigung und die gegebene chemischen Ähnlichkeit anderer Seltenen Erden ist es eine Herausforderung hartmagnetische SmCo-basierte Nanopartikel mittels Inertgaskondensation herzustellen. Zudem bestimmt die Oberflächenenergie maßgeblich die Eigenschaften von Nanopartikeln, sodass ein Element mit einer geringen solchen energetisch bevorzugt die Oberfläche bildet. Diese Arbeit zeigt auf, wie die sauerstoffbasierte Oxidation und die unterschiedlichen Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elemente die Struktur, die Morphologie und die chemische Verteilung der Elemente innerhalb der Nanopartikel beeinflussen und so die Legierungsbildung einer hartmagnetischen Sm(Pr)Co-Phase steuern. Mithilfe von aberrationskorrigierter, hochauflösender Transmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit Elektronenenergieverlustspektroskopie werden Morphologie, Elementverteilung und Struktur von unterschiedlich hergestellten Sm(Pr)Co-Nanopartikeln untersucht und analysiert. Die auftretende Segregation der Seltenen Erden an die Oberfläche der Nanopartikel wird zum einen auf eine sauerstoffinduzierte, zum anderen auf eine intrinsische Segregation, also eine durch unterschiedliche Oberflächenenergien der legierungsbildenden Elementen hervorgerufene Segregation zurückgeführt. Anhand eines entwickelten geometrischen Modells wird zwischen den beiden Ursachen der Segregation unterschieden. Das Verständnis um die kausalen Zusammenhänge der Segregation lässt den Schritt zur Herstellung hartmagnetischer intermetallischer SmCo-basierter Nanopartikel zu. Hierzu werden speziell Nanopartikelagglomerate geformt und optisch in einem Lichtofen erhitzt, sodass die Primärpartikel in den Agglomeraten versintern und schließlich das resultierende sphärische Partikel kristallisiert. HRTEM-Aufnahmen und Elektronenbeugung bestätigen die erfolgreiche Herstellung von SmCo5- und Sm2Co17-basierten Nanopartikeln. Die Koerzitivfeldstärke dieser Partikelensembles beträgt 1,8T und einem Maximum in der Schaltfeldverteilung bei 3,6T. Die magnetischen Eigenschaften spiegeln die analysierten strukturellen, morphologischen und chemischen Eigenschaften der Nanopartikel wider.:1 Einleitung 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Physikalische Nanopartikelsynthese aus der Gasphase 2.1.1 Nukleationsprozess und Thermodynamik 2.1.2 Partikelwachstum 2.1.3 Sintern 2.2 Segregation 2.3 Das Stoffsystem Samarium-Kobalt 2.4 Magnetische Eigenschaften 2.4.1 Magnetische Kristallanisotropie 2.4.2 Eindomänenteilchen nach dem Stoner-Wohlfarth-Modell 3 Experiment und Methode 3.1 Nanopartikelpräparation 3.1.1 Nukleationskammer 3.1.2 Justage des Lichtofens 3.2 Herstellung glatter Schichten 3.3 Transmissionselektronenmikroskopie 3.3.1 Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) 3.3.2 Partikelstatistik 3.4 Magnetische Messung 3.4.1 Korrektur der Hystereseschleife 3.4.2 Reversible und irreversible Prozesse 4 Untersuchung der SmCo-Targets mittels XPS und AES 5 Untersuchung der hergestellten Schichten 5.1 AES- und XPS-Analysen 5.1.1 Schicht#1 und Schicht#5 5.1.2 Schicht#6 5.2 TEM-Untersuchung am Querschnitt der Schichten 6 SmCo-Nanopartikel hergestellt aus MaTecK-T1 6.1 Ungeheizte SmCo-Nanopartikel 6.2 Im Flug geheizte SmCo-Nanopartikel 6.2.1 Geometrisches Modell der (un)vollständigen Segregation 7 SmCo-Nanopartikel hergestellt aus Lesker-Target 7.1 Ungeheizte (SmPr)Co-Nanopartikel 7.2 Im Flug geheizte (SmPr)Co-Nanopartikel 7.2.1 Einstellung intermetallischer Phasen 8 Magnetische Eigenschaften der (SmPr)Co-Nanopartikel 9 Zusammenfassung und Ausblick A Anhang A.1 FEM-Simulation A.1.1 Modell und Grundlage der FEM-Simulation der Partikeltrajektorien A.1.2 Ergebnisse der FEM-Simulation

Le but de ce travail de thèse est de réaliser un microswitch magnétique bistable à base d'aimants permanents. De nouveaux designs de tels microswitch ont été dessinés afin d'obtenir à la fois des forces de contact plus élevés et des courants de commutation plus faibles que les systèmes semblables existants déjà. Des logiciels de simulations magnétiques ont été utilisés afin d'évaluer le comportement statique et dynamique de ces micro relais. Des couches épaisses (>1 µm) de matériaux magnétiques durs hautes performances (NdFeB, SmCo) ont été déposées par pulvérisation cathodique triode. Cette technique de pulvérisation permet d'avoir des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces. Les conditions de dépôt et de traitements thermiques de ces couches ont été étudiés afin d'obtenir de grandes coercivités, de grandes rémanences et des textures particulières. Enfin, des briques de base technologiques ont été développées afin d'intégrer ces films magnétiques dans un process de microtechnologie et de réaliser finalement de nouveaux microsystèmes magnétiques. Ce travail est inclus dans le projet ANR Nanomag2 dont le but final est de fabriquer des micro-relais RF pour des applications spatiales.

This thesis presents the study of organofunctional alkoxysilane coatings to prevent high temperature oxidation of Sm-Co powders. Sm-Co are important permanent magnetic alloys, owing to their high Curie temperature and large values of magnetocrystalline anisotropy. They possess stable magnetic properties in the temperature range -40 to 120 °C which makes them very attractive candidates for automobile’s electric motors. However, the environmental conditions for such applications are a sum of high temperatures, humidity, fuels and salts which provide perfect breeding ground for corrosion. In this study we report the high temperature oxidation resistance of Sm2Co17 powders coated with four common commercially available organofunctional silanes; (3-aminopropyl)trimethoxysilane (APTMS), (3-aminopropyl)triethoxysilane (APTES), methyltrimethoxysilane (MTMS) and (3-glycidyloxypropyl)trimethoxysilane (GPTMS). The as received powder was a multimodal mixture of many sizes and shapes which represented a typical ball milling product. The thermal analyses of the powders suggested that the powders without surface coatings had profound affinity towards oxidation. The thermal properties of sieved uncoated powders revealed that the small powders were more susceptible to oxidation than the large powders due to their large specific surface area. The isothermal properties of coated powders revealed that the powders coated with silanes had at least 10 times higher resistance to oxidation as compared to uncoated powders heated at 400 °C for 10 h. The non-isothermal tests conducted from room temperature to 500 °C also revealed that the uncoated powders gained 6 times more mass as compared to the powders coated with an ideal (MTMS) silane. The microstructural analysis of the uncoated powders heated from 400 °C to 550 °C revealed diffusion of oxygen, instable intermetallic phases which resulted in a redistribution of alloying elements, precipitation of alloying elements and formation of a featureless shell (approximately 20 µm in thickness) that surrounded the unreacted core. The coated powders on the other hand showed homogenous distribution of alloying elements, stable intermetallic phases and limited the shell thickness (1 µm). The thermo-magnetic properties of Sm-Co powders showed that the thermal instability also affected the magnetic properties adversely. It was found that the magnetic properties were deteriorated with a decrease in powder size. The energy dispersive spectroscopic (EDS) analyses showed that the small powders contained higher oxygen content than the large powders. Moreover XRD analysis also revealed that the small powders contain higher residual strains and smaller crystallite size which can play their role in deteriorating magnetic properties. It was found that surface modification by silanization improve the thermo-magnetic properties by effectively shielding the powder surfaces from surface oxidation. The rheological properties Sm-Co/PA12 composites revealed that the viscosity of the composites was increased with decreasing powder size due to the presence of rough surfaces and sharp corners in small powders. The rheological properties of the melts containing coated powders revealed that the silane layer acted as a lubricant and decreased the melt viscosity. It was found that coating the powders with silanes not only improve the rheological properties but also improve the other physical properties such as glass transition temperature the loss modulus by modifying the interfacial layer between the polymer matrix (PA12) and the powder. It results in a decrease in viscosity, a broadening of the glass transition temperature and a change in the damping properties of the composites. The dynamic mechanical properties of Sm-Co/PA12 composites showed that the storage modulus was increased with decreasing powder size. The results were expected as the rough surfaces act as local welding points between the powder and the polymer matrix. It was found that the surface modification improve the storage modulus. It is assumed that the silanes modify the interfacial properties which not only resulted in increasing the storage modulus but also broadened the glass transition temperature, Tg and damping, tanδ peaks. From the thermogravimetric, microstructural, rheological and magnetic analyses it can be concluded that the silanes are the effective coatings in preventing high temperature oxidation, stabilizing microstructure, enhancing mechanical properties, and improving rheological and magnetic properties. / <p>QC 20121205</p>

Cette étude a été motivée par les nombreux avantages du procédé de micromoulage, qui couple la croissance électrolytique et la localisation du film avec un moule en résine épaisse. Ce procédé permet en effet la réalisation de micro-objets, dont les dimensions sont uniquement dépendantes de la résolution des techniques de lithographie employées pour définir les moules en résine. Le micromoulage permet donc de réaliser des microstructures métalliques et est compatible avec la technologie MEMS. Nous avons mis en évidence l'influence de différents paramètres expérimentaux dans le cadre de l'étude de la croissance électrolytique du samarium-cobalt en solution aqueuse dans une cellule de Hull. Cette étude nous a permis de déterminer plusieurs points de fonctionnement conduisant à des teneurs en samarium et des épaisseurs élevées : jusqu'à 50 % de samarium et plusieurs microns d'épaisseur. En outre, un certain nombre d'hypothèse ont été émises, qui lient le procédé d'élaboration et le mécanisme de croissance. Nous avons aussi réussi a montré qu'il est possible de réaliser des micromotifs de plusieurs microns d'épaisseur contenant un rapport Sm/(Sm+Co) relativement élevé (10 %) et une faible contamination en oxygène (8 %).

The dissertation thesis deal with the design and the optimization of the permanent magnet synchronous machine (SMPM) based on the artificial intelligence. The main target is to apply potential optimization methods on the design procedure of the machine and evaluate the effectiveness of optimization and the optimization usefulness. In general, the optimization of the material properties (NdFeB or SmCo), the efficiency maximization with given nominal input parameters, the cogging torque elimination are proposed. Moreover, the magnet shape optimization, shape of the air gap and the shape of slots were also performed. The well known Genetic algorithm and Self-Organizing migrating algorithm produced in Czech were presented and applied on the particular optimization issues. The basic principles (iterations) and definitions (penalty function and cost function) of proposed algorithms are demonstrated on the examples. The results of the vibration generator optimization (VG) with given power 7mW (0.1g acceleration) and the results of the SMPM 1,1kW (6 krpm) optimization are practically evaluated in the collaboration with industry. Proposed methods are useful for the optimization of PM machines and they are further theoretically applied on the low speed machine (10 krpm) optimization and high speed machine (120 krpm) optimization.

The research in permanent magnet thin films focuses on the search of new materials and methods to increase the prevalent data storage limit. In the recent past the work towards the application of these films to micro systems have also gained momentum. Materials like samarium cobalt with better magnetic properties and temperature stability are considered to be suitable in this regard. The essential requirement in miniaturization of these films is to deposit them on silicon substrates that can alleviate the micro fabrication process. In this work, an effort has been made to deposit SmCo films with better magnetic properties on silicon substrates. In the deposition of SmCo, the composition of the deposited films and the structural evolution are found to play an important role in determining the magnetic properties. Proper control over these parameters is essential in controlling the magnetic properties of the deposited films. SmCo being a two component material the composition of the films is dependent on the nature of the source and the transport of the material species from source to substrate. On the other hand, structural evolution is dependent on the energetical considerations between the SmCo lattice and substrate lattice. This most often is dominated by the lattice match between the condensing lattice and the substrate lattice. As such Si does not provide good lattice match to SmCo lattice. Hence suitable underlayers are essential in the deposition of these films. Materials like W, Cu, Mo and Cr were used as underlayers. Out of all these Cr is found to provide good lattice match and adhesion to SmCo lattice. Sputtering being the common deposition tool, SmCo could be sputtered either from the elemental targets of Sm and Co or from the compound target of SmCo5. Sputtering of elemental targets of Sm and Co provides the flexibility of varying the composition whereas sputtering from the SmCo alloy target provides to flexibility of controlling the structural evolution by different process parameters. In this work two different techniques namely Facing Target Sputtering (FTS) and Ion Beam Sputter Deposition (IBSD) were followed in depositing SmCo films. In FTS technique, SmCo films were directly deposited on silicon substrates by simultaneous sputtering of samarium and cobalt targets facing each other. This sputtering geometry enabled to achieve films with a wide composition range of 55 – 95 at. % of cobalt in single deposition. The resulting composition variation and material property variation were investigated in terms of process parameters like pressure, temperature, SubstrateTarget Distance (STD) and InterTarget Distance (ITD). The composition distribution of the films was found to be dependent on the thermalisation distances and the mean free path available during the transport. To explain the process and the composition variation, a simulation model based on Monte Carlo method has been employed. The simulated composition variation trends were in good agreement with that of the experimental observations. IBSD, known for its controlled deposition, was employed to deposit both Cr (as an underlayer) and SmCo films. Cr with close epitaxial match with SmCo induces structural evolution in deposited films. The initial growth conditions were found to play a dominant role in the structural evolution of these Cr films. Hence, initial growth conditions were modified by means of oblique incidence and preferential orientation of (200) plane was obtained. With three different angles of incidence, three different surface orientations of Cr films were achieved. These films were then used as structural templates in the deposition of SmCo films. The influence of parameters like composition, impurities, film thickness, beam energy, ion flux, annealing, angles of incidence and underlayer properties on the structural and magnetic properties of SmCo was studied. The structural evolution of SmCo has been found to depend on the structural orientation of Cr underlayers. This followed the structural relation of SmCo(100)||Cr(110)||Si(100) and SmCo(110)||Cr(100)||Si(100). A mixed surface plane orientation was observed in the case of mixed orientation Cr template. The magnetic coercivities were found to increase from 50 Oe to 5000 Oe with the change in the structure of the deposited films.