La connaissance de la structure est essentielle dans l'interprétation du couplage d'échange qui a lieu à l'interface entre des couches ferromagnétique et antiferromagnétique. Des expériences de diffraction X en incidence rasante sont décrites qui ont permis de déterminer la structure de couches d'alliages a base de Mn, et de couches d'oxyde de cobalt.

La spintronique antiferromagnétique est un domaine de recherche émergent dans le secteur des technologies de l'information. Ce domaine exploite la combinaison unique de propriétés dans les matériaux antiferromagnétiques. Leur grande fréquence d'excitation, leur robustesse face à des champs extérieurs, une aimantation totale nulle et la possibilité de générer de forts effets de magnéto-transport les rendent particulièrement intéressants. Le transfert de spin, le couplage spin-orbite et les effets caloritroniques constituent les phénomènes qui ont façonné une grande partie de la recherche et des développements récents en spintronique. Dans cette thèse, nous avons étudié les effets de transfert et de pompage de spin dans des antiferromagnétiques métalliques et isolants au moyen de la technique de résonance ferromagnétique, dans des tricouches du type injecteur de spin ferromagnétique - NiFe, CoFeB / (conducteur de spin - Cu / absorbeur de spin antiferromagnétique - IrMn, NiFeOx, NiO. Les mesures de la dépendance en température de la relaxation ferromagnétique ont révélé un nouvel effet de pompage de spin associé aux fluctuations linéaires lors de la transition de phase magnétique de l'antiferromagnétique, quel que soit l'état électronique et la nature du transport de spin. Cela ouvre de nouvelles voies pour un pompage de spin plus efficace, tout en fournissant une méthode polyvalente pour mesurer la température critique des films ultra-minces à aimantation totale nulle. Dans le but de mesurer à la fois les fluctuations de spin linéaires et non linéaires dans l'antiferromagnétique, nous avons effectué des mesures électriques dans une configuration de mesure du type ‘spin Hall’. Une dépendance en température non-monotone inédite de la tension dc transverse a parfois été observée. Elle est principalement associée aux propriétés d’un ferromagnétique spécifique: le Permalloy, sans rapport avec les effets de rectification de spin. Ces résultats s'ajoutent à une littérature croissante sur l'absorption d’un courant de spin, soulignant la capacité des ferromagnétiques à agir comme détecteurs de courant de spin émis à la suite de phénomènes impliquant une dynamique d’aimantation. Finalement, nous avons utilisé le couplage d'échange pour étudier et ensuite façonner les propriétés magnétiques et électriques de plusieurs antiferromagnétiques destinés à diverses applications spintroniques, y compris la lecture par magnétorésistance tunnel anisotrope. / Antiferromagnetic spintronics is an emerging research field in the area of information technology that exploits the unique combination of properties of antiferromagnets. It is their high excitation frequency, robustness against external fields, zero net magnetization and possibility of generating large magneto-transport effects that makes them so interesting. Spin transfer, spin-orbit coupling and spin caloritronics constitute the phenomena that have shaped much of the recent research and development towards pure antiferromagnetic spintronics. Here we investigate spin transfer torque and spin pumping in both metallic and insulating antiferromagnets by means of ferromagnetic resonance technique, in ferromagnetic spin injector – NiFe, CoFeB / (spin conductor – Cu) / antiferromagnetic spin sink – IrMn, NiFeOx, NiO trilayers. Temperature dependence measurements of the ferromagnetic relaxation revealed a novel spin pumping effect associated to the linear fluctuations at the magnetic phase transition of the antiferromagnet, regardless its electronic state and the nature of the spin transport. This opens new ways towards more efficient spin pumping, while providing at the same time a versatile method to probe the critical temperature of ultrathin films with zero net magnetization. Next, in an effort to probe linear as well as non-linear fluctuations in the antiferromagnet we conducted electrical measurements in spin Hall geometry. A novel non-monotonous temperature dependence of transverse dc voltage was sometimes observed, mostly associated to the properties of a specific ferromagnet: Permalloy, unrelated to spin rectification effects. These findings add to a growing body of literature on spin current absorption, highlighting the ability of ferromagnets to act as spin current detectors, in phenomena involving magnetization dynamics. Finally, we used exchange bias to investigate and subsequently engineer the magnetic and electric properties of various antiferromagnets intended for diverse spintronic applications including reading via tunneling anisotropic magnetoresistance.

Phénomènes de spintronique dans les jonctions tunnel magnétiques et des films minces sont très prometteurs des deux points fondamentaux et l'application de vue. Elles sont basées sur l'exploration de spin d'électron en plus de sa charge et comprennent intercalaire couplage d'échange (CEI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA), géante (GMR) et magnétorésistance tunnel (TMR), Couple de transfert de spin (STT), Spin effet Hall (SHE) et même induire du magnétisme dans les éléments non compris d graphène. Cette thèse comprendra premiers principes des études de phénomènes spintronique qui ont été d'un grand intérêt récemment. La première partie est consacrée à intercalaire couplage d'échange à travers les matériaux isolants dont le MgO, SrTiO3, GaAs et ZnSe. La deuxième partie comprendra des études ab initio d'anisotropie magnétique perpendiculaire au Fe | interfaces MgO et MTJ y compris le mécanisme et sa corrélation avec le spin Bloch symétrie Etat fondé de filtrage. Dans les enquêtes troisième partie de l'anisotropie magnétique et la fonction de travail dans les Co | interfaces graphène seront présentés. Ensuite, il sera montré possibilité d'induire et d'optimiser le magnétisme intrinsèque dans nanomeshes graphène. Dernière partie sera consacrée à l'induction de polarisation de spin et le réglage de Dirac point et ordre magnétique dans le graphène à l'aide d'effets de proximité magnétiques substrat. / Spintronic phenomena in magnetic tunnel junctions and thin films are very promising from both fundamental and application points of view. They are based on exploring spin of electron in addition to its charge and include interlayer exchange coupling (IEC), perpendicular magnetic anisotropy (PMA), giant (GMR) and tunnel magnetoresistance (TMR), Spin Transfer Torque (STT), Spin Hall Effect (SHE) and even inducing magnetism in non d elements including graphene. This thesis will include first-principles studies of spintronic phenomena which have been of high interest recently. First part is devoted to interlayer exchange coupling across insulating materials including MgO, SrTiO3, GaAs and ZnSe. The second part will include ab initio studies of perpendicular magnetic anisotropy at Fe|MgO interfaces and MTJs including the mechanism and its correlation to the Bloch state symmetry based spin filtering. In third part investigations of magnetic anisotropy and work function in Co|graphene interfaces will be presented. Next, it will be shown possibility of inducing and optimizing intrinsic magnetism in graphene nanomeshes. Final part will be devoted to inducing spin polarization and tuning Dirac point and magnetic order in graphene by means of magnetic substrate proximity effects.

Cette thèse porte sur la croissance de films minces d’oxydes de zinc/fer (ZnxFe1-xO1+δ par ablation laser pulsée (PLD) et sur la possibilité de contrôler leurs propriétés structurales et physico-chimiques en variant les conditions d’élaboration : pression d’oxygène et température de croissance, proportions respectives de zinc/fer. Pour de fortes valeurs de x (x > 65%), les films sont monophasés de structure wurtzite type ZnO (films Fe:ZnO), avec une transparence optique dans la gamme UV-visible de 80% mais sans propriété ferromagnétique ; en fonction de leur teneur en fer (1-x), ils évoluent de très bons conducteurs électriques à quasi-isolants. Pour de faibles valeurs de x (x < 15%), les films sont également monophasés de structure spinelle type Fe3O4 (films Zn:Fe3O4). Ils présentent de très bonnes propriétés ferromagnétiques dès la température ambiante ainsi qu’une bonne conductivité électrique, les effets de localisation des porteurs de charge se manifestant en dessous de la température de Verwey. Le nombre de parois d’antiphase peut être diminué par une croissance en deux étapes, comme l’atteste les mesures de magnétorésistance. Aux taux intermédiaires de zinc (15% < x < 65%), les films sont nano-composites. Dans le cas d’une coexistence des phases Fe:ZnO et Zn:Fe3O4, la bonne conductivité de Zn:Fe3O4 jointe à la multiplicité des variantes épitaxiales et donc des interfaces fournit un matériau adapté à la thermoélectricité. Dans le cas d’une coexistence de la phase ferrromagnétique Zn:Fe3O4 avec la phase Zn:FeO antiferromagnétique de type sel gemme, un fort couplage d’échange ainsi qu’une anisotropie magnétique perpendiculaire élevée sont mis en évidence. / This thesis deals with the growth of thin films of zinc/iron oxides (ZnxFe1-xO1+δ) by pulsed laser deposition (PLD) and the possibility of controlling their structural and physicochemical properties by varying the elaboration conditions: oxygen pressure and growth temperature, respective proportions of zinc/iron. For high values of x (x> 65%), the films are single-phase with a ZnO-type wurtzite structure (Fe:ZnO films), with 80% optical transparency in the UV-visible range but without ferromagnetic properties; depending on their iron (1-x) content, they evolve from very good electrical conductors to near-insulators. For small values of x (x <15%), the films are also single-phase with a Fe3O4-type spinel structure (Zn:Fe3O4 films). They exhibit very good ferromagnetic properties at ambient temperature as well as good electrical conductivity, the localization effects of charge carriers occurring below the Verwey temperature. The number of antiphase walls can be decreased by a two-step growth, as evidenced by magnetoresistance measurements. At intermediate zinc rates (15% <x <65%), the films are nano-composites. In the case of a coexistence of the Fe:ZnO and Zn:Fe3O4 phases, the good conductivity of Zn:Fe3O4 combined with the multiplicity of epitaxial variants and thus of the interfaces provides a material suitable for thermoelectricity. In the case of a coexistence of the ferrromagnetic Zn:Fe3O4 phase with the Zn:FeO antiferromagnetic rocksalt phase, strong exchange coupling as well as high perpendicular magnetic anisotropy are demonstrated.

Dans ce travail, nous nous intéressons à l’étude des propriétés structurales et magnétiques de films déposés sur des substrats de silicium et de verre, qui sont : Fe85Pd15, Fe80Pd20, Fe64Pd36 et Fe56Pd44, ainsi qu’aux corrélations qui peuvent être déduites de ces propriétés. Ces films minces sont élaborés par la technique d’évaporation thermique par effet Joule. Par ailleurs, ces films ont été analysés par plusieurs techniques, à savoir: la diffraction des rayons X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MBE), la microscopie à force atomique (AFM), la spectrométrie Mössbauer, la magnétométrie SQUID, la magnétométrie à gradient de champ alternatif (AGFM) et la microscopie à force magnétique (MFM). L’analyse de DRX a révélé que les échantillons Fe80Pd20, Fe64Pd36 sont bi-phasiques et constitués d’une phase (Fe,Pd)-α cubique centrée (cc) et d’une phase FePd cubique à faces centrées (cfc). Par ailleurs, les échantillons Fe85Pd15 et Fe56Pd44 se sont avérés monophasiques et formés de la phase (Fe, Pd)-α, et de la phase FePd respectivement. Concernant les alliages, Fe85Pd15, Fe80Pd20et Fe64Pd36, nous avons trouvé, que la phase (Fe, Pd)-α se saturait à 20 % de Pd; et la phase ‘FePd’ apparaissait à ce même pourcentage. Ensuite, l’alliage Fe56Pd44 déposé sur le silicium a subit un recuit isotherme, à 550°C à différents temps de maintien, dans le but d’induire une transformation de la phase FePd désordonnée en la phase L10FePd ordonnée. La variation, en fonction du temps, de la fraction transformée de la phase ordonnée, révélée par la DRX et le SQUID, s’est avérée obéir à la loi d’Avrami. Concernant les propriétés magnétiques, nous avons trouvé que l’alliage Fe64Pd36, était également le siège de la transformation de la phase FePd désordonnée en la phase L10FePd ordonnée. Cette transformation est marquée par l’existence d’un couplage d’échange entre la phase douce (Fe, Pd)-α et la phase dure L10FePd. Ce phénomène a été mis en évidence par plusieurs techniques révélant, par exemple, la forme du cycle d’hystérésis caractérisée par un champ coercitif élevé et une aimantation à saturation élevée. / In this work, we are interested in the study of the structural and magnetic properties of thin films deposited on silicon and glass substrates which are: Fe85Pd15, Fe80Pd20, Fe64Pd36 and Fe56Pd44, as well as in the correlations which can be deduced from these properties. These thin films are prepared using the thermal evaporation technique by Joule effect. Moreover, these films have been analyzed by several techniques, namely: X-rays diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), Mössbauer spectrometry, SQUID magnetometer, alternating field gradient magnetometer (AFGM) and magnetic force microscopy (MFM). The XRD analysis revealed that the Fe80Pd20 and Fe64Pd36 samples are biphasic, and present a body centered cubic (bcc) α-(Fe, Pd) and a face centered cubic (fcc) FePd structure respectively. Furthermore, the samples Fe85Pd15 and Fe56Pd44 were observed to be monophasic and formed of a body centered cubic α-(Fe, Pd) phase and a face centered cubic FePd phase respectively. Concerning the Fe85Pd15, Fe80Pd20 and Fe64Pd36 alloys, we found that the α-(Fe, Pd) phase saturated at 20% of Pd and that the FePd phase appeared at this same concentration. Then, the Fe56Pd44 alloy deposited on silicon substrates was subjected to isothermal annealing, at 550 ° C for different holding times, in order to induce a transformation of the disordered FePd phase into the ordered L10FePd phase. The variation, as a function of time, of the transformed fraction of the ordered phase, revealed by XRD and SQUID, was found to obey to Avrami's law. Concerning the magnetic properties, we have found that the Fe64Pd36 alloy was also observed to present a transformation of the disordered FePd phase into the ordered L10FePd phase. This transformation is marked by the existence of an exchange coupling between the soft α-(Fe, Pd) phase and the hard L10FePd phase. This phenomenon has been confirmed by several techniques revealing, for instance, the shape of the hysteresis cycle characterized by a high coercive field and a high saturation magnetization.

Le but de cette thèse est l'étude de la structure électronique et des propriétés magnétiques des semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) de type II-VI ZnBVI (BVI= O, S, Se, Te) dopés Co et Mn.<br /><br />L'étude ab initio des couplages d'échange entre deux ions magnétiques premiers voisins montre l'insuffisance de la fonctionnelle LSDA (approximation de la densité locale polarisée en spin) pour décrire l'état fondamental des DMS. Grâce à la LSDA+U, qui prend en compte la corrélation forte des électrons des couches 3d des métaux de transition par une correction de type Hubbard, on obtient des constantes d'échange d-d antiferromagnétiques (AFM) de l'ordre de quelques meV pour les composés à base de Co et Mn non-dopés électriquement. Le dopage de type p permet d'obtenir des températures de Curie ferromagnétiques (FM) de l'ordre de 100 K. Les valeurs LSDA+U des couplages d'échange sp-d N\alpha (N\beta) entre électrons (trous) de la bande de conduction (de valence) et impuretés magnétiques sont FM (AFM) de l'ordre de 0.1 eV (-1 eV). Un modèle analytique de la structure électronique des DMS montre la présence d'un état localisé séparé de la bande de valence dans les composés à base de ZnO (N\beta fortement AFM) due à l'hybridation forte entre les états 3d de l'impureté magnétique et la bande de valence. <br /><br />L'état fondamental des lacunes neutres isolées dans les semi-conducteurs II-VI est examiné par une combinaison de calculs ab initio et analytiques. On montre que la lacune de Zn dans ZnO porte un spin S=1 en accord avec l'expérience. Dans les autres composés II-VI moins ioniques, cet état triplet est quasi-dégénéré avec un état singulet de spin nul. Les lacunes d'anions sont non-magnétiques.

Ce travail s'inscrit dans les recherches actives des nouvelles propriétés magnétiques et électriques dans les hétérostructures artificielles. Nous avons élaboré et étudié un système du type « Oxyde ferrimagnétique / Métal non magnétique / Oxyde ferrimagnétique » dans lequel les électrons sont confinés dans la couche métallique 2D et subissent de nombreuses réflexions aux interfaces « métal / isolant magnétique ». L'élaboration de ce système impose une maîtrise de la croissance des différentes couches et de la planéité des interfaces. Les dépôts sont épitaxiés afin de limiter les diffusions des électrons aux joints de grains par pulvérisation cathodique dans un bâti UHV, les caractérisations structurales sont essentiellement réalisées par microscopie électronique haute résolution et diffraction des rayons X.<br />Nous avons étudié la croissance épitaxiale de couches simples de Fe3O4 et de CoFe2O4 sur Al2O3(0001) et MgO(001) afin d'obtenir respectivement une direction de croissance [111] et [001]. Nous nous sommes également intéressés à la croissance épitaxiale et à l'anisotropie d'échange de bicouches Fe3O4(5nm à 50nm)/NiO(66nm) dans ces deux mêmes directions de croissance. Nous avons ensuite étudié la croissance de métaux non oxydables (Pt, Au et Ag) sur les surfaces (001) et (111) de Fe3O4.<br />Ces résultats ont permis d'élaborer les systèmes épitaxiés Fe3O4/M(M=Au,Pt)/ CoFe2O4 sur Al2O3(0001). Les propriétés électriques montrent que les électrons sont confinés dans la couche métallique et qu'apparaît une GMR atteignant près de 1,8% à 10K due exclusivement aux réflexions électroniques sur les interfaces métal/oxyde avec certainement une contribution des réflexions spéculaires.

Ce travail de thèse porte sur la détermination de la structure atomique, électronique et magnétique de couches ultraminces ferromagnétique et antiferromagnétique pour une meilleure compréhension du mécanisme de couplage d'échange qui peut avoir lieu à leur interface. Le couplage d'échange, effet de l'interaction entre les deux matériaux, se manifeste par un décalage du cycle d'hystérésis et une augmentation de la coercivité en-dessous de la température de blocage. Nous avons porté notre attention sur les systèmes de CoO/FePt sur Pt(001), CoO/Fe et CoO/Fe3O4 sur Ag(001) et combiné des techniques expérimentales principalement utilisant le rayonnement synchrotron pour les caractériser. Dans un premier temps, nous avons optimisé l'élaboration de ces systèmes dans un environnement d'ultra-haut vide (UHV) par la recherche de surfaces adaptées, le contrôle fin des conditions de croissance et le suivi de la structure par diffraction de surface des rayons X in situ. Leur structure cristalline a ensuite été caractérisée avec précision. Dans un deuxième temps, nous avons étudié leurs structure et propriétés magnétiques ex situ via le dichroïsme magnétique circulaire et linéaire des rayons X et l'effet Kerr magnéto-optique. La relation entre le couplage d'échange et la structure de l'interface est discutée tout au long de ce manuscrit. / This thesis deals with the determination of atomic, electronic and magnetic structure of ferromagnetic and antiferromagnetic ultrathin layers to better understand the mechanism of the exchange coupling which could takes place at their interface. Exchange coupling, expression of the interaction between the two materials, manifests itself by a shift of hysteresis loop and an increase in coercivity below the blocking temperature. We have paid attention to the systems of CoO/FePt on Pt(001), CoO/Fe and CoO/Fe3O4 on Ag(001). We combined experimental techniques mainly using synchrotron light to characterize them. As a first step, we optimized in a ultra-high vacuum (UHV) environment the elaboration of the systems looking for an appropriate surface, the high control of growth conditions and the supervision of the structure by in situ X-ray surface diffraction. The crystalline structure was precisely then detailed. As a second step, we studied the magnetic structure and properties ex situ by X-ray magnetic circular and linear dichroïsm and magneto-optic Kerr effect. The relation between exchange coupling and interface structure is discussed all along the manuscript.

Le couplage d’échange entre une couche ferromagnétique (F) et une couche antiferromagnétique (AF) permet de piéger l’aimantation de la couche ferromagnétique. Ce phénomène est largement utilisé dans des systèmes magnétiques complexes, telles que les vannes de spins, ou les mémoires MRAM, où il permet de constituer des couches de références, normalement insensibles aux cycles d’écriture des couches de stockage. On remarque aux petites dimensions, lorsque la taille des cellules diminue en dessous de la centaine de nm, des renversements partiels ou complets des électrodes de référence, dus à un basculement du réseau de spins dans l’AF. L’objectif de cette thèse est de comprendre ces phénomènes de renversement, de les quantifier en fonction de la dimension latérale des dispositifs, et de présenter des solutions viables afin d’accroître la stabilité des systèmes de stockage. Ce travail essentiellement expérimental, comprenant dépôts, lithogravure et caractérisations, se déroulera pour la majeure partie au sein du laboratoire SPINTEC (UMR8191). L’étudiant sera cependant amené à collaborer avec plusieurs entités du pôle grenoblois, notamment pour les mesures magnéto-optiques, les analyses cristallographiques, ainsi que pour une partie de simulation atomistique ; il devra aussi s’intéresser à l’intégration industrielle de ses études en rendant compte de ses résultats, en les discutant, afin que Crocus Technology en bénéficie directement. La thèse, se déroulant sur trois ans, explorera les points suivants : i) Etude de la stabilité thermique en fonction de la taille des motifs (0-15mois) L’étudiant déposera par pulvérisation cathodique des bicouches F/AF (AF=FeMn, PtMn ou IrMn) qui seront gravées sur la plate forme de technologie amont (PTA) localisée sur le site du CEA/Grenoble. Il caractérisera par des mesures d’effet kerr ou de magnétotransport les propriétés magnétiques des bicouches, notamment les distributions de TB, de champ d’échange, en fonction de la taille des motifs. Il participera aux analyses cristallographiques en collaboration avec le Service général des rayons X et le laboratoires d'Etude des Matériaux par Microscopie Avancée (LEMMA) (du CEA/Grenoble/INAC/SP2M). Ces analyses qui donneront des renseignements sur les tailles de grains et leur distribution seront utilisées pour comprendre les mesures magnétiques dans un premier temps, et seront un point de départ pour optimiser via des recuits, ou l’ajout d’éléments d’addition, la stabilité des systèmes aux dimensions réduites, typiquement <100nm. ii) Etude du couplage inter-grain dans l’AF (15-22mois) L’étudiant réalisera des mesures de trainage magnétique et déterminera les volumes de nucléation dans l’AF et les comparera aux données cristallographiques. Il essaiera de déterminer l’importance de ce couplage dans la stabilité des points mémoire en jouant sur son intensité (recuits, éléments d’addition…), ceci participant de l’optimisation de l’anisotropie d’échange aux petites dimensions présentée dans la partie précédente. iii) Volet de simulations atomistiques (22-30mois) L’étudiant collaborera avec le laboratoire LSIM et notamment F. Lançon afin de simuler, grâce à un code de calcul développé localement, l’impact de la cristallographie (taille de grains, couplage inter-grains, désordre interfacial et rugosité) sur les propriétés de l’anisotropie d’échange dans les systèmes F/AF de taille réduite. Ces simulations permettront de comprendre les mesures expérimentales réalisées en parallèle et d’ouvrir de nouvelles voies exploratoires pour optimiser les valeurs de champ d’échange en vue de leur intégration dans les dispositifs. / Exchange coupling between a ferromagnetic (F) and an antiferromagnetic (AF) layer is responsible of a higher coercivity and of a shift in the hysteresis loop. This phenomenon is widely used in magnetic systems like spin-valves and MRAM to set the reference layer, that remains fixed during the writing processes of the storage layer. It has been noticed that, for systems with reduced lateral size , the magnetization of the reference layer can (completely or partially) reverse because of spin switches in the AF layer. The aim of this thesis project is the understanding of these reversal phenomena, the quantification as a function of lateral dimension and the proposal of feasable solutions in order to increase the stability of the storage layer. The thesis will be maily experimental, including deposition, lithography and characterization processes. The main part of the thesis will be spent at SPINTEC (UMR8191) laboratories. The student will also collaborate with other research groups in Grenoble, in particular for magneto-optical measurements, crystallographic analysis, and atomic simulations. He will also manage the industrial integration of his studies, by sharing and discussing his results with Crocus Technology. The thesis, during a period of three years, will cover the following subjects: i) Study of the termal stability as a function of lateral size (0-15 months). The student will deposit F/AF bilayers being AF FeMn, PtMn or IrMn) by magnetron sputtening. These layers will be etched at Pthe TA cleanroom facility, in CEA-Grenoble. TB and exchange field distributions will be characterized by Kerr effect and magnetotrasport measurements as a function of lateral size. He will collaborate to the crystallographic analysis with the X-ray general service and the 'laboratoires d'Etude des Matériaux par Microscopie Avancée' (LEMMA) (CEA/Grenoble/INAC/SP2M). These analysis, that will give informations about grain size and distribution, will help the understanding of the magnetic measurements and will be a starting point for an optimization, through annealing steps or additional elements, of the stability of systems with reduced lateral size (typically below 100nm). ii) Study of AF inter-grain coupling (15-22 months) The student will perform magnetic training measurements. He will determine the nucleation volumes in the AF and compare them with the crystallographic results. He will manage to establish the importance of this coupling in the stability of magnetic memories and to vary its intensity (annealing, additional elements). This study will contribute to optimize the exchange anisotropy at reduced dimensions presented in the previous point. iii) Atomic simulations (22-30 months) The student will collaborate with LSIM laboratory, in particular with F.Lançon. He will simulate the impact of crystallography (grain size, inter-grain coupling, interfacial disorder, rugosity) on exchange anisotropy properties in F/AF systems with reduced lateral size. Simulations will be performed with a code developped in the lab. These simulations will help in understanding the experimental measures performed previously, and will give new suggestions in the optimization process of the exchange field for technological integration.

Cette thèse concerne l'étude des propriétés structurales et magnétiques de nanoparticules magnétiques creuses (HMNPs), coquille et coquille/coquille. Les effets de surface sont exaltés de par la présence des surfaces interne et externe. L'étude expérimentale de HMNPs basée sur des mesures magnétiques et de spectrométrie Mössbauer du 57Fe a montré une structure magnétique complexe. Les HMNPs ayant une épaisseur ultrafine présentent une structure magnétique décrite par 2 sous-réseaux spero-magnétiques opposés, en plus de la présence d’un champ d'échange bias significatif. L'effet de la taille et de l'épaisseur des HMNPs a été également étudié. Les spectres Mössbauer obtenus sous champ magnétique montrent que la structure magnétique est fortement corrélée au rapport surface/volume. Ces résultats expérimentaux ont été confirmés par simulation Monte Carlo. Après optimisation du modèle, l’approche numérique montre d’abord que l'anisotropie de surface Ks gouverne le comportement magnétique des HMNPs et ensuite que la valeur critique de Ks nécessaire pour obtenir une configuration radiale (spike) diminue lorsque la taille des HMNPs augmente. L'étude numérique menée pour différentes tailles et épaisseurs de coquille, a permis de suivre leurs effets sur la structure magnétique des HMNPs. Par ailleurs, l'étude expéri-mentale menée sur des HMNPs shell/shell, montre que le désordre des spins et le champ d'échange bias deviennent plus importants lorsque les HMNPs sont recouvertes d’une coquille antiferromagnétique (NiO). De ces résultats, on peut déduire l'effet du désordre des spins sur les phénomènes d'échange bias dans un tel système. / This thesis concerns the study of structural and magnetic properties of hollow magnetic nanoparticles (HMNPs), shell and shell/shell. These HMNPs present enhanced surface effects resulting from the presence of both inner and outer surface layers. The experimental investigation combining magne-tic measurements and 57Fe Mössbauer spectrometry of such HMNPs has revealed a complex spin magnetic structure. Small HMNPs with ultrathin thickness show highly disordered magnetic structure and the corresponding in-field hyperfine structure can be described by means of 2 speromagnetic antiferromagnetically coupled, in addition to the significant exchange bias phenomenon. The in-field Mössbauer study of the effect of size and thickness of HMNPs shows that the spin disorder is strongly correlated to the surface to volume ratio. Those experimental magnetic behaviors were confirmed using Monte Carlo simulation. Indeed, after improving the numeric model, it is concluded that surface anisotropy Ks has a dominant role in the magnetic behavior of HMNPs and the value of critical Ks necessary to obtain radial (spike) configuration decreases as the size of HMNPs increases, keeping the same thickness. The numeric study for different sizes and shell thicknesses allows the effect of these parameters on the spin structure of HMNPs to be followed. Then, the experi-mental study extended to shell/shell HMNPs indicates that the spin disorder is enhanced in HMNPs with antiferromagnetic shell (NiO) in addition to larger exchange bias field. From those results, one can try to deduce the effect of spin disorder on the exchange bias phenomena in such system.