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.

Cette thèse comporte deux parties. L'objectif de la première partie était l'implémentation d'une méthode de résolution de l'équation dynamique de Landau-Lifshitz-Gilbert fondée sur l'approximation des éléments finis. Deux approches ont été présentées: la première reposant sur une formulation avec contrainte et la seconde mettant en œuvre des fonctions tests dans le plan tangent à l'aimantation. Seule la seconde approche reproduit la dynamique obtenue en différences finies sur des cas tests. Dans la seconde partie, le but était d'étudier le déplacement de parois de domaines magnétiques sous l'effet d'un champ magnétique ou d'un courant polarisé en spin dans des systèmes à anisotropie perpendiculaire. Il a été nécessaire d'introduire dans l'équation dynamique les termes dus au transfert de spin. Des systèmes idéaux et des systèmes avec différents types de défauts ont été étudiés. Les résultats numériques ont été comparés avec les données expérimentales disponibles.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de l'électronique de spin et concerne plus particulièrement la dynamique radiofréquence de l'aimantation sous courant polarisé en spin. Dans les nanostructures magnétiques, le transfert de spin permet de soutenir une oscillation entretenue de l'aimantation à grande amplitude. Ces oscillations suscitent un intérêt fondamental pour l'étude de la dynamique de l'aimantation dans le régime fortement non-linéaire. Les oscillateurs à transfert de spin sont également très prometteurs d'un point de vue applicatif, du fait de leur taille nanométrique et de leur forte accordabilité en fréquence. Néanmoins, leur signal de sortie devra être amélioré et l'origine de leur pureté spectrale comprise. Dans cette optique, nous avons étudié expérimentalement la réponse dynamique de deux types d'oscillateurs complémentaires. Nous nous sommes d'abord intéressés à une structure vanne de spin basée sur une couche polarisante à aimantation perpendiculaire. Nous avons démontré la possibilité d'induire une précession de l'aimantation de forte amplitude autour de son maximum d'énergie. Le renfort de simulations micromagnétiques fut nécessaire pour décrire précisément les observations expérimentales. Dans un second temps, nous avons développé un banc de mesure temporelle ainsi qu'un protocole d'analyse original pour étudier la pureté spectrale d'oscillateurs à jonction tunnel magnétique MgO. Ces mesures nous ont permis d'observer certains des mécanismes d'instabilité limitant la cohérence du signal micro-onde de l'oscillateur, comme par exemple des fluctuations de fréquence sur l'échelle de la dizaine de nanosecondes.

Les nouveaux dispositifs de l'électronique de spin nécessitent une meilleure compréhension du comportement hyperfréquence de l'aimantation. Ce travail est consacré au développement de la mesure de la résonance ferromagnétique à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA-FMR), pour caractériser la dynamique de l'aimantation. Bien que prometteuse, la méthode VNA-FMR n'est apparue que récemment et sa standardisation n'est pas encore accomplie. Nous avons établi l'analyse de données appropriée pour une géométrie en transmission d'ondes, où une analyse rigoureuse est possible. Nous avons comparé cette méthode à plusieurs méthodes simplificatrices, notamment l'utilisation d'un circuit ouvert à l'extrémité du guide d'ondes, permettant un dispositif expérimental plus compact. Nous avons étudié plusieurs types de couches minces. Des multicouches Fe/Au ont subi deux traitements de bombardement ionique pour modifier leurs propriétés. En combinaison avec des mesures structurales, les mesures de VNA-FMR ont prouvé clairement les améliorations induites par l'irradiation des couches magnétiques. Nous avons également étudié le phénomène de l'anisotropie d'échange sur des échantillons IrMn/NiFe et IrMn/CoFeB. En utilisant la méthode VNA-FMR, nous avons pu déduire le champ de l'anisotropie d'échange agissant sur l'aimantation pour chaque point du cycle d'hystérésis, démontrant ainsi sa dépendance vis-à-vis de l'histoire du champ magnétique. Enfin, nous avons étudié des alliages de CoFeB, en s'intéressant particulièrement au paramètre d'amortissement et à la raideur d'échange. On a montré que la recristallisation due au recuit thermique provoque une augmentation de l'amortissement.

Dans cette thèse je présente les résultats de mes études sur le magnétisme et la dynamique de l'aimantation de systèmes en couches minces couplées soit à travers une couche non ferromagnetique, soit une couche antiferromagnetique. Il s'agit de systèmes qui s'insèrent dans le contexte de l'enregistrement magnétique. <br />Les techniques étudiées sont la spectroscopie d'absorption X (XMCD et XMCD résolu en temps) et l'effet magnéto-optique Kerr et la microscopie Kerr en mode pompe sonde. Les mesures XMCD résolues en temps exploitent la structure temporelle du rayonnement synchrotron pour avoir accès à la dynamique de l'aimantation avec sélectivité chimique. Une extension récente de cette technique est la microscopie PEEM résolue en temps. <br />Ces outils ont été utilisés pour étudier la dynamique de l'aimantation des couches magnétiques de vannes de spin où le couplage magnétostatique entre couches influence le mode de renversement. Dans des multicouches Pt/Co couplées par échange avec une couche AF nous avons montré que le retournement de l'aimantation est fortement influencé par l'interaction F/AF.

Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes. / Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour.

Cette thèse concerne l'étude de la dynamique de l'aimantation et du déplacement de parois de domaines induits par un courant polarisé en spin dans les nanofils magnétiques de NiFe/Cu/Co. Avant ces travaux, des mesures de transport ont prouvé que dans ce système à trois couches, les parois dans le NiFe peuvent être déplacées par des densités de courant relativement faibles, ce qui suggère une efficacité du transfert de spin particulièrement élevée. Le but de cette étude a été d'utiliser la microscopie à photoémission d'électrons combinée avec le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X (XMCD-PEEM) à des sources de rayonnement synchrotron pour observer directement les configurations magnétiques dans les tricouches et leur évolution pendant et après l'application d'impulsions de courant ultracourtes. Une étape importante du travail a été d'optimiser la croissance des couches NiFe/Cu /Co, pour augmenter la qualité des interfaces et minimiser le couplage entre les couches magnétiques. Le processus de structuration des nanofils par la lithographie électronique a également été optimisé. Deux types de mesures ont été réalisés: i) mesures quasi-statiques, où la configuration de domaines est observée avant et après l'application d'impulsions de courant et ii) des mesures dynamiques, où la configuration magnétique a été observée lors de l'application d'impulsions de courant. Les premières mesures nous ont permis d'étudier le comportement statistique des parois pendant l'application d'impulsions de courant: d'une part, les vitesses des parois atteignent des valeurs extrêmement élevées pour les densités de courant relativement faibles (jusqu'à 600 m/s pour 5×10^11 A/m^2). D'autre part, le mouvement des parois sur des distances supérieures à 2-3 μm est fortement entravé par le piègeage. Nous avons identifié le piègeage des parois dans la couche de NiFe comme étant dû à des inhomogénéités cristallographiques dans la couche de Co, par l'effet magnétique dipolaire. Des mesures résolues en temps pendant les impulsions de courant, réalisées pour la première fois par notre équipe, nous ont permis de démontrer que l'aimantation de NiFe est fortement inclinée dans la direction transverse à la direction des nanofils, en raison de la présence d'un champ transversal Oersted. Cet effet pourrait contribuer à l'augmentation des vitesses des parois dans les couches de NiFe.

Cette thèse décrit le comportement dynamique des vortex magnétiques dans une structure comprenant un nanocontact sur une multicouche magnétique dans la configuration vanne de spin. Notre approche a couvert des aspects expérimentaux principalement basés sur des mesures électriques cryogéniques micro-ondes, et des aspects théoriques analytiques basés sur le formalisme de Thiele ainsi que des aspects théoriques numériques par le biais de simulations micromagnétiques. La première partie du travail a été consacrée à la compréhension de la dynamique hyperfréquence d'un vortex situé dans la couche ferromagnétique libre, lorsque le couple de transfert de spin met le vortex en mouvement gyrotropique permanent autour du nanocontact. La seconde partie du travail a été consacrée à la compréhension du processus de nucléation du vortex telle qu'induite par la combinaison du champ Ampérien et du transfert de spin. La dépendance de la nucléation envers température et indirectement envers en champ d'anisotropie d'échange a été étudiée, et modélisé en validant l'hypothèse de la création d'un paire vortex-antivortex dans la couche piégée de la vanne de spin. / This thesis describes the dynamical behavior of a magnetic vortex structure occuring in a system comprising a nano-contact on a magnetic multilayer which is in the spin valve configuration. Our approach covered experimental aspects mainly based on cryogenic microwave measurements, together with analytical theory based on the formalism of Thiele and numerical modeling through micromagnetic simulations. The first part of the work was devoted to the understanding of the microwave dynamics of a vortex located in the ferromagnetic free layer, when the spin transfer torque puts the vortex in permanent gyrotropic motion about the nanocontact. The second part of the work was devoted to the understanding of the process of the nucleation of a vortex, as induced by the combination of Ampére field and spin transfer torques. In the pinned layer, the dependence of the nucleation on the temperature and indirectly on the exchange bias field has been studied. It has been modelled by the creation of a vortex-antivortex pair in the pinned layer of the spin valve.

En utilisant la technique pompe-sonde résolue en temps, nous avons étudié la dynamique de l'aimantation dans des couches minces magnétiques avec une résolution temporelle de 20ps. La pompe est constituée par les champs magnétiques de hautes fréquences induits par des impulsions de tension appliquées sur une ligne coplanaire. Comme sonde, nous avons utilisé l'effet Kerr magnéto-optique et l'effet magnéto-résistif. Nous présentons la préparation des échantillons en utilisant le dépôt de couches minces par pulvérisation cathodique, la lithographie UV, ainsi que différentes techniques de gravure. Les résultats sur la dynamique de l'aimantation correspondent au régime des petites perturbations (de type Résonance Ferromagnétique) et à celui des grandes perturbations (ex. le renversement de l'aimantation). Nous avons mis en évidence le renversement par précession dans des vannes de spin de taille micronique et dans des couches minces continues.

La première partie de cette thèse décrit les effets magnéto-optiques (du visible aux Rayons X), les techniques de production dynamique de champ magnétique ainsi que les différents magnétomètres élaborés. Ces instruments permettent une étude sur une plage dynamique très importante de 50 ps à plusieurs heures avec une résolution spatiale jusqu'à 100 nm. Suit une partie consacrée à une présentation succincte du magnétisme et des approches théoriques de la dynamique de l'aimantation. La troisième partie est consacrée à l'étude d'un film de grenat où la dynamique est dominée par des effets de précession de l'aimantation, puis d'une multicouche Co/Pt où la dynamique est dominée par des effets d'activation thermique. Enfin la quatrième partie présente l'étude des systèmes couplés Ferro-AntiFerro Co/NiO puis une étude sur la disparition du couplage peau d'orange à haute vitesse de renversement de l'aimantation sur des tricouches Ferro-Nonmagnétique-Ferro déposées sur des substrats à accumulation de marches.