Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du compor-tement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uni-axiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement.Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin / The discover of spin-transfer opens a new way to control the magnetization of a nano-magnet using a spin polarized current instead of a magnetic field. Many studies showed that it is particularly efficient in nanopillar spin-valves with perpendicular magnetizations. Therefore, we decided to analyse into more details the impact of a spin polarized current on these devices during this thesisFirst, we were interested in a global approach of the behavior of these systems based on the understanding of their field and current phase diagrams. Comparing our experimental re-sults with various theoretical predictions, we demonstrated that their main features are ex-plained by a breaking of the uniaxial symmetry of the spin-valves due, for instance, to a non-perpendicular anisotropy axis or applied magnetic field. Moreover, we developed a purely energetic description of these devices allowing to understand simply the physical origin of their behavior.Then, we focused on the magnetization reversal process of these nanopillars dominated by a domain nucleation followed by domain wall propagation. We combined for this study the analysis of a thermally activated phenomenon called telegraph noise, of phase diagrams and of micromagnetic simulations. They all lead to the conclusion that the nucleation process is well described by a Stoner-Wohlfarth behaviour whereas the propagation process seems very dependent on the structure of the domain wall especially for the action of the spin-transfer.

Une étude de l’induction d’une anisotropie magnétique d’origine magnétostatique dans une couche mince magnétique (Ni81Fe19) à topologie modulée a été effectuée grâce aux observations réalisées à l’aide de mesures de magnéto-transport (AMR). La modulation à l’échelle nanométrique est obtenue avec une nouvelle approche basée sur la lithographie électronique. La présence d’une anisotropie uniaxiale orientée parallèlement à la modulation a été mise en évidence. Ce denier a permis la définition de deux axes orthogonaux d’anisotropie dans un même substrat et l’exploration de la faisabilité d’un capteur de champ magnétique bidimensionnel. Une géométrie de capteur à Effet Hall Planaire est proposée. Le développement et la fabrication d’un dispositif permettant l’étude de la propagation d’une paroi de domaines dans une piste submicronique effectué sur une vanne de spin ont été accomplis. Dans ces dispositifs, la position de la paroi est déterminée par la mesure de la magnétorésistance géante (GMR). L’étude systématique des champs d’injection et de dépiégeage a montré l’existence une asymétrie de la propagation de la paroi entre les transitions P ® AP et AP ® P. Il a été montré, grâce à une série de simulations micro magnétiques, que cette asymétrie résulte de l’influence du champ dipolaire créé par la couche fixe sur les configurations adoptées par la paroi dans la couche libre. Des mesures de relaxation de temps ont permis d’obtenir la probabilité cumulée de dépiégeage de la paroi à partir de la constriction. Une variété de comportements a été ainsi mise en évidence. / A study on the induction of a magnetic anisotropy of magnetostatic origin in a magnetic thin layer (Ni81Fe19) having a modulated topology was carried out by performing magneto-transport measurements (AMR). Modulation in the nanometric scale is obtained with a new approach based on the electronic lithography. The presence of a uniaxial anisotropy along the modulation was highlighted. This latter allowed the definition of two orthogonal axes of anisotropy in the same substrate and the exploration of the feasibility of a 2D dimensional magnetic sensor. A sensor geometry based on the Planar Hall effect is proposed. The development and the fabrication of a device allowing studying the domain wall propagation in a sub-micronic wire based on a spin-valve element have been accomplished. In such devices the domain wall position is determined by probing the Giant Magneto-Resistance (GMR). The systematic study of the injection and depinning fields showed the existence of an asymmetry in the propagation of the wall between the transitions P ® AP and AP ® P. It was shown, thanks to a series of magnetic micro simulations, that this asymmetry results from the influence of the dipolar field created by the fixed layer on the configurations adopted by the wall in the free layer. Relaxation time measurements made it possible to obtain the cumulated probability for the depinning of the domain wall from the constriction. A variety of behaviors was thus highlighted.

Cette thèse concerne l'étude et la visualisation par imagerie magnéto-optique Kerr à la température ambiante du mode de retournement de l'aimantation au sein de couches minces ferromagnétiques de manganites de composition La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO). Au cours du travail de thèse, un banc d'imagerie a été réalisé et une méthode d'imagerie vectorielle de l'aimantation a été proposée. Ce système d'imagerie a été utilisé pour étudier d'une part l'influence du substrat et des contraintes qu'il induit dans la couche mince et d'autre part l'influence de la forme des échantillons, sur le piégeage et le mode de retournement des domaines magnétiques présents dans la couche mince. Dans le cas du substrat LSAT ((LaAlO3)0.3(Sr2AlTaO6)0.7), la compression induite dans la couche mince fait apparaître une composante d'aimantation hors du plan et un plan de facile aimantation sans direction privilégiée dans ce plan. Le retournement des domaines planaires est alors de type cohérent. Dans le cas du substrat STO (SrTiO3), d'orientation (001), l'anisotropie magnétique est biaxiale et le retournement d'aimantation s'opère par nucléation puis propagation de domaines. Dans le cas de substrats vicinaux de STO, l'anisotropie magnétique devient uniaxiale et l'axe de facile aimantation est parallèle aux marches en surface de la couche. Le retournement de domaines se produit par nucléation et propagation dans le cas où le champ magnétique est appliqué parallèlement aux marches du substrat vicinal. Quand le champ magnétique est appliqué perpendiculairement aux marches du substrat vicinal, on assiste à un retournement cohérent des domaines magnétiques. Ces travaux constituent une première étape dans la compréhension et la maîtrise du comportement magnétique de dispositifs spintroniques.

Dans le contexte du « Tout Electrique », les fabricants de l’aéronautique cherchent à augmenter la puissance embarquée tout en limitant la masse de ces dispositifs électriques. Une des solutions envisagées est d’augmenter la densité de flux magnétique des matériaux magnétiques de ces appareils. L’inconvénient de l’emploi de ces matériaux réside dans leurs déformations sous l’effet du champ magnétique. Dans le cas des noyaux magnétiques de transformateurs, ceux-ci sont composés d’un empilement d’une centaine de tôles magnétiques d’épaisseur variant entre 0,2 et 0,5mm. La déformation successive des tôles du transformateur est à l’origine d’un bruit acoustique indésirable. La source principale de ces déformations est la magnétostriction qui provient du réarrangement sous champ magnétique de la structure en domaines du matériau. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous nous intéressons à l’alliage Fe-27%Co produit par la société APERAM Alloys Imphy, commercialement appelé AFK1. Le choix de cet alliage provient du fait qu’il présente une aimantation à saturation la plus élevée de tous les matériaux ferromagnétiques (2,4T). Son emploi permettrait alors un gain certain de densité de puissance. Selon une gamme métallurgique particulière, l’AFK1 présente une basse magnétostriction isotrope, qui s’illustre par une déformation nulle jusqu’à 1,5T puis par une déformation à saturation de l’ordre de 10ppm. L’objectif principal de ces travaux de thèse consiste à déterminer l’origine d’un tel comportement et les mécanismes associés. Les résultats expérimentaux montrent que les conditions de traitements thermiques semblent avoir un effet sur le comportement magnétostrictif. On montre par ailleurs que la magnétostriction est indépendante de l’orientation cristallographique de l’AFK1. Des essais de magnétostriction sous contrainte mécanique ont permis de supposer que l’AFK1 disposait d’une structure en domaines principalement composée de parois à 180°. La mise en place de cette structure a pu être confirmée par microscopie magnéto-optique (effet Kerr). Afin de mieux comprendre l’origine de l’orientation des domaines dans le matériau, l’influence de la géométrie d’échantillon sur le comportement magnétostrictif a également été étudiée au cours de ces travaux de thèse. Une modélisation du comportement faiblement magnétostrictif a finalement été proposée par le biais d’une approche multi-échelle. Le modèle met en évidence la nécessité de considérer une proportion non négligeable de domaines séparés par des parois à 180° pour restituer la basse magnétostriction de l’AFK1. / The main challenge in the aeronautical field concerns the increase of higher power density electrical devices onboard aircrafts. One of the solutions proposed is to increase the magnetic flux density of magnetic materials which compose these devices. The main drawback of this solution leads in the high deformation the materials concerned exhibit under magnetic field. For example, the core of onboard transformers is composed of a stack of about hundred of magnetic steel sheets, with a thickness range between 0.2 and 0.5mm. The deformation of the entire structure leads to an unwanted acoustic noise that originates from the high magnetostriction deformation of the material deriving from the change of magnetic domains configuration under magnetic field. In this thesis work, the magnetostrictive behaviour of the Fe-27$%$Co alloy is studied. This magnetic alloy is produced and marketed by APERAM Alloys Imphy as AFK1. This material leads to a low and isotropic magnetostrictive behaviour after an appropriate metallurgical process. The deformation is null up to 1.5T and the magnetic saturation is reached with a deformation lower than 10ppm. The main goal of this thesis is to understand the origin of the low magnetostrictive behaviour and to model it. The experimental results show that thermal annealing changes significantly the magnetostriction. In addition, we prove that low magnetostriction exhibits no crystallographic orientation dependence. Magnetostriction tests carried out under a mechanical loading show that a microstructure mainly composed magnetic domains separated by 180$^circ$ domain walls can explain the behaviour. The presence of this magnetic configuration was confirmed by magneto optical microscopy observations (Kerr effect) associated with a macroscopic geometry effect and residual magnetic field in the furnaces. A multiscale modeling of the low magnetostriction has been proposed next. This modeling helps us to confirm the requirement of about 80% of grains composed of a bi-domain magnetic structure to simulate low magnetostrictive behaviour in accordance with experiments.

Cette thèse a pour objectif l'étude des parois de domaines magnétiques, et plus généralement des textures magnétiques, dans des nanostructures. Ce travail est motivé par le couplage entre les électrons responsables du magnétisme et ceux de la conduction électrique, appelé transfert de spin, qui donne lieu à la dynamique de parois de domaines sous courant de spin. La connaissance du comportement dynamique et des caractéristiques statiques de telles structures est alors indispensable. L'outil principalement utilisé dans de ce travail est la microscopie à force magnétique, et ce présent dans l'ensemble des sujet abordés. L'étude principale de ce travail concerne la mise en évidence expérimentale de l'automouvement de paroi dans des nanopistes de NiFe. Nous avons montré ce phénomène dans le cas d'une transformation de parois puis analysé l'importance qu'il a pour la dynamique de parois dans le cas général aux impulsions courtes. Les propriétés statiques ont aussi été étudiées par des mesures de magnétorésistance anisotrope pour des parois soumises à un champ magnétique tournant quasi-statique. Finalement, L'aspect “nouveaux matériaux” étant un des grands axes de recherche concernant le transfert de spin, une troisième partie a été consacrée à l'étude de la distribution d'aimantation complexe des nanostructures de NiPd. Pour tous les sujets abordés dans ce travail, des calculs micromagnétiques ont été effectués pour appuyer notre compréhension.

Le transfert de spin ouvre la voie à un nouveau contrôle de l'aimantation d'un nanoaimant utilisant un courant polarisé en spin plutôt qu'un champ magnétique. Plusieurs travaux ont montré l'efficacité de ce phénomène dans des nanopiliers aux aimantations perpendiculaires. Par conséquent, nous avons décidé pour cette thèse d'analyser en détail l'effet du transfert de spin sur ces dispositifs. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à une approche globale du comportement de ces systèmes basée sur l'étude de leurs diagrammes de phase courant-champ. Grâce à la comparaison de nos données expérimentales avec différentes prédictions théoriques nous avons démontré que la plupart de nos observations sont expliquées par la brisure de la symétrie uniaxiale de nos systèmes engendrée sans doute par un axe d'anisotropie et/ou un champ magnétique non-perpendiculaires. De plus, nous avons développé une description purement énergétique de ces dispositifs permettant de comprendre simplement l'origine physique de leur comportement. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés au processus de retournement de l'aimantation de ces nanopiliers commençant par la nucléation d'un domaine et se poursuivant par la propagation d'une paroi de domaine. Notre étude combine les analyses de phénomènes thermiquement activés, de diagrammes de phase et de simulations micromagnétiques. Elles tendent toutes à montrer que le processus de nucléation est proche d'un comportement de type Stoner-Wohlfarth alors que le processus de propagation semble très dépendant de la structure de la paroi de domaine en particulier pour l'action du transfert de spin.

Le (Ga,Mn)As est un matériau de choix pour l'électronique de spin, étant à la fois semiconducteur et ferromagnétique, à la suite de l'interaction d'échange entre les spins des atomes de manganèse (3d5-4s2), et ceux des trous qu'ils apportent. Sa température de Curie (Tc) se situe typiquement entre 50 et 150 K.<br />Afin de découpler les dopages magnétique ([Mn]) et électrique (p), une technique de passivation par hydrogène a été développée, pour former des complexes (Mn,H) électriquement neutres. Ses effets magnétiques (apparition d'une phase paramagnétique), électriques (diminution de p) et structuraux sur la couche ont tout d'abord été étudiés. <br />Puis, des échantillons de dopage croissant ont été fabriqués grâce à ce procédé, pour des couches en tension ou en compression. Un bon accord avec les prévisions de la théorie de champ moyen a été obtenu pour l'évolution de leur anisotropie magnétique, et de leurs Tc en fonction de la contrainte épitaxiale, et de la densité de porteurs.<br />Une dernière étude s'est penchée sur les domaines magnétiques et les mécanismes de renversement d'aimantation de couches continues, puis de microstructures monodomaines aimantées perpendiculairement au plan. Un procédé de passivation locale par hydrogénation a été développé pour structurer magnétiquement des couches de (Ga,Mn)As (taille minimale des motifs ~ 200 nm). Il a entre autres permis d'abaisser fortement les champs de retournement d'aimantation de réseaux de plots microniques, par rapport à ceux obtenus dans des structures fabriquées par gravure. Enfin, des résultats préliminaires de déplacement de parois de domaines par un champ magnétique ou un courant polarisé ont été obtenus dans des pistes structurées par hydrogénation.

Les matériaux magnétiques composites doux sont utilisés pour réaliser des circuits magnétiques de machines électriques. Ils sont formés de particules de fer revêtues d’une mince couche de diélectrique et pressées à haute densité. La conception des machines électriques à l’aide de ces matériaux requiert la connaissance de méthodes de caractérisation de leurs propriétés électriques et magnétiques. L’optimisation des propriétés magnétiques des matériaux composites nécessite la compréhension des phénomènes se produisant à l’échelle microscopique et de leur influence sur la caractéristique d’aimantation à l’échelle macroscopique. Des méthodes de caractérisation adaptées aux matériaux magnétiques composites sont développées dans cette thèse : elles concernent la mesure de la caractéristique d’aimantation, de la résistivité et des pertes magnétiques. L’utilisation de ces méthodes démontre que l’inhomogénéité et l’anisotropie des propriétés des circuits magnétiques faits de matériaux magnétiques composites, considérées comme relativement négligeables dans les travaux publiés jusqu’à présent, sont suffisamment importantes pour influencer le développement du matériau, le dimensionnement des machines électriques et les tests de qualité en production. Un modèle permettant de relier la caractéristique d’aimantation à la structure des matériaux magnétiques composites et aux propriétés des constituants est proposé. Ce modèle est basé sur la simulation en calcul des champs de l’écoulement du flux magnétique à travers la structure microscopique du matériau et il permet de retrouver la caractéristique d’aimantation à l’échelle du circuit magnétique. Les relations obtenues démontrent un couplage significatif entre les propriétés globales, comme la perméabilité maximale, et certaines grandeurs à l’échelle microscopique, comme l’épaisseur du revêtement des particules de fer. Les modèles et les méthodes de caractérisation proposés peuvent ainsi être efficacement utilisés pour l’optimisation des dimensions des machines faites de matériaux magnétiques composites ainsi que pour l’optimisation des propriétés de ces matériaux en vue d’applications spécifiques. / Soft magnetic composite materials are used to produce magnetic circuits in electrical machines. They are made of iron particles coated with a thin dielectric layer pressed to high densities. Electrical machine design using soft magnetic composites requires techniques for measuring their electrical and magnetic properties. The optimization of soft magnetic materials properties requires understanding the microscopic scale magnetization phenomenon, as well as its influence on macroscopic properties. Measurement methods for magnetization, resistivity and magnetic losses, which are adapted to soft magnetic materials, are developed in this thesis. These methods show that materials inhomogeneity and anisotropy, which were until then considered negligible in published work, are sufficiently important to influence materials development, machine design and quality tests. Modeling of magnetization relates microscopic scale magnetization phenomenon to global magnetic properties, such as the effect of dielectric coating thickness on magnetic permeability. A model is developed that relates material properties to its structure and composition. Based on finite elements simulation of magnetic flux flow into the material structure, this model allows for finding the material’s global magnetization curve. Relations between process parameters and magnetic properties show strong coupling between microscopic structure and properties. An example of that coupling is the effect of dielectric coating thickness on magnetic permeability. The proposed measurement methods and magnetization models can be used for the optimization of machine dimensions, and for the optimization of materials properties designed for specific applications.

Une étude de l'induction d'une anisotropie magnétique d'origine magnétostatique dans une couche mince magnétique (Ni81Fe19) à topologie modulée a été effectuée grâce aux observations réalisées à l'aide de mesures de magnéto-transport (AMR). La modulation à l'échelle nanométrique est obtenue avec une nouvelle approche basée sur la lithographie électronique. La présence d'une anisotropie uniaxiale orientée parallèlement à la modulation a été mise en évidence. Ce denier a permis la définition de deux axes orthogonaux d'anisotropie dans un même substrat et l'exploration de la faisabilité d'un capteur de champ magnétique bidimensionnel. Une géométrie de capteur à Effet Hall Planaire est proposée.<br />Le développement et la fabrication d'un dispositif permettant l'étude de la propagation d'une paroi de domaines dans une piste submicronique effectué sur une vanne de spin ont été accomplis. Dans ces dispositifs, la position de la paroi est déterminée par la mesure de la magnétorésistance géante (GMR). L'étude systématique des champs d'injection et de dépiégeage a montré l'existence une asymétrie de la propagation de la paroi entre les transitions P -> AP et AP -> P. Il a été montré, grâce à une série de simulations micro magnétiques, que cette asymétrie résulte de l'influence du champ dipolaire créé par la couche fixe sur les configurations adoptées par la paroi dans la couche libre. Des mesures de relaxation de temps ont permis d'obtenir la probabilité cumulée de dépiégeage de la paroi à partir de la constriction. Une variété de comportements a été ainsi mise en évidence.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de la dynamique du retournement de l'aimantation de multicouches magnétiques par des effets magnéto-optiques : l'effet Kerr et le dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD). Une partie de ce travail a porté sur l'étude de multicouches (Pt/Co) à anisotropie perpendiculaire couplées par échange à un antiferromagnétique. Des mesures de microscopie Kerr résolues en temps ont permis de montrer que les processus de retournement de l'aimantation dépendent fortement de la force du couplage d'échange. La présence de frustrations magnétiques à l'interface induit une augmentation de la densité de domaines inverses. De plus la densité de nucléation est plus importante lorsque le champ appliqué s'oppose au champ d'échange, cet effet est attribué à l'inhomogénéité du couplage. La seconde partie de ce travail consiste en l'étude du renversement de l'aimantation de jonctions tunnel magnétiques Co/Al2O3/FeNi déposées sur des substrat à accumulation de marches. L'évolution temporelle de la structure en domaines magnétiques est étudiée avec une technique originale, la microscopie à électrons photo-émis couplée au XMCD. Dans ces systèmes, nous avons démontré que la topographie de la tricouche joue un rôle important sur le renversement de l'aimantation. Grâce à la sélectivité chimique du XMCD, l'effet du champ de fuite des parois de domaine dans la couche de cobalt sur l'aimantation de la couche de permalloy a aussi été étudié. Nous avons montré que ce champ de fuite est suffisant pour générer des quasi-parois dans la couche de permalloy, ce qui permet un retournement de l'aimantation localement plus rapide.