En raison de leur constante d’anisotropie magnétocristalline particulièrement élevée,les nanoparticules de FePt cristallisant dans la phase « chimiquement » ordonnée L10présentent un grand intérêt pour la réalisation de média magnétiques discrets à très hautedensité (>1 Tb/in2) jusqu’à un diamètre limite de 3,5 nm. Nos travaux portent sur la synthèsepar voie chimique (thermolyse) de nanoparticules de FePt-ɣ, calibrées en taille (4 ≤ Ø ≤ 8 nm)et de composition chimique proche de Fe50Pt50. Par la suite, leur transition vers la variété L10est réalisée afin de leur assurer un comportement ferromagnétique fort à 300 K. En dépitd’une composition non homogène en fer au sein de chaque nanoparticule (coeur riche enplatine et surface davantage riche en fer), la phase L10 est obtenue après un recuit sousatmosphère réductrice (Ar/H2 5%) à des températures supérieures à 650°C. Par ailleurs, afinde prévenir la coalescence des nanoparticules lors du recuit, trois méthodes de protectionsdistinctes ont montré leur efficacité : une matrice de NaCl, des écorces de silice amorphe etde MgO cristallisé. Cette dernière méthode de protection a permis, une fois les recuitsréalisés, de redisperser les nanoparticules de FePt-L10 par le biais d’une modification de leursurface par des chaînes de Polyoxyde d’éthylène-thiol (Mn =2000 g.mol-1). Une encremagnétique est obtenue une fois ces nanoparticules mises en solution avec desmacromolécules de copolymères à blocs Polystyrène-b-Polyoxyde d’éthylène. Le dépôt decette encre sur un substrat permet de former, après auto-assemblage supramoléculaire desmacromolécules, un film hybride contenant les nanoparticules ferromagnétiques FePt-L10localisées sélectivement dans les domaines cylindriques de POE. / Nanoparticles made of FePt alloy in a face-centered-tetragonal (fct) structure have agreat interest for the enhancement of data density (> 1 Tbit/in²) in magnetic recordingmedia due to their high magneto-crystalline anisotropy and low critical diameters (3.5 nm).Our works lie in the synthesis of ɣ-FePt nanoparticles controlled in size (4 ≤ Ø ≤ 8 nm) andchemical composition (≈ Fe50Pt50) by thermal decomposition of organometallic precursors.Following ɣ-FePt NPs synthesis, annealing at high temperature is required for a completetransition from fcc to fct structure (L10) that ensure a ferromagnetic behavior at ambient.Despite a non-homogenous chemical composition on each nanoparticles (platinum-rich coreand iron-rich surface), L10 structure has been obtained after annealing under atmosphereAr/H2 (5%), at temperature up to 650°C. To prevent coalescence of FePt NPs duringannealing, tree distinct protection routes have shown their effectiveness: an inert NaClmatrix, an amorphous silica shell or a crystalline MgO shell. This last method shows bestresults in redispersion of L10-FePt nanoparticles after annealing via surface modification ofnanoparticles by PEO-thiol chains (Mn =2000 g.mol-1). A magnetic ink is then formulated inpresence of PS-b-PEO macromolecules. At least, this as-made ink is deposited on a substrateto obtain, after copolymer self-assembly, a hybrid film containing ferromagnetic L10-FePtnanoparticles selectively located into PEO cylindrical domains.

This work has been devoted to the study of phase transformations involving chemical ordering and magnetic properties evolution in bulk Fe-Pt alloys composed of nanometer-sized grains. A comprehensive study of phase transformations and ordering in Fe-Pt alloys is performed by a combination of in-situ neutron powder diffraction and thermal analysis. The dependence of ordering processes on the alloy composition and initial microstructure (homogeneous A1 phase or multilayer-type) is established. Through the use of mechanical alloying and subsequent heat treatment it has been possible to achieve the formation of chemically highly ordered L10 FePt and, in the case of the Fe-rich and Pt-rich compositions, L12 Fe3Pt and FePt3 phases, respectively. Whereas in Pt-rich alloys the decoupling effect of the FePt3 phase leads to coercivity improvement, in Fe-rich nanocomposites a peculiar nanometer scale multilayer structure gives rise to remanence enhancement due to large effects of exchange interactions between the crystallites of the phases. The structure, magnetic properties and magnetisation reversal processes of these alloys are investigated. Experimentally observed phenomena are understood on the basis of a simple two-particle interaction model. Neutron diffraction has also been used for the investigation of the magnetic structure of ordered and partially ordered nanocrystalline Fe-Pt alloys. It has been shown that the magnetic moment of Fe atoms in L10-type Fe Pt alloys is sensitive to the compositional order. The results are compared to density functional calculations.

The large magneto-crystalline anisotropy energy of the L10 phase has pushed the interest to the FePt nanoparticles to get smallest possible not superparamagnetic particles for magnetic data storage media. The DC magnetron sputtering process, in an inert gas atmosphere and subsequently ejection into high vacuum via differential pumping in addition with a newly constructed light furnace, allows us to have a predeposition annealing of FePt nanoparticles. The advantage compared to wet chemical process route is, that we can prevent the growing of particles on a substrate. In order to determine the experimentally hardly accessible temperature of the particles, the thermal history of the particles is rather calculated from the interaction with the light field along the flight path through the light furnace used for the in-flight annealing. The results obtained for the particle temperature are corroborated by experimental findings on the sintering of agglomerated particles and change in magnetic properties due to heating over the L10 stability temperature. The experiments reveal that the effect of the thermal treatment on both the structural and magnetic properties of the FePt nanoparticles strongly depends on the particles’ crystal structure. The magnetic behavior shows a size depending effective uniaxial magnetic anisotropy constant. This behavior is strongly correlated to the structure of the 5 nm to 8 nm L10 FePt particle.:Einleitung 1 Grundlagen 1.1 Eisen-Platin Nanopartikel 1.1.1 Das System Eisen-Platin 1.1.2 Die A1 - L10 Phasenumwandlung 1.1.3 Größeneinflüsse auf Phasenstabilität und strukturelle Allotropie 1.2 Magnetische Eigenschaften 1.2.1 Magnetokristalline Anisotropieenergie 1.2.2 Ummagnetisierungsverhalten nach Stoner-Wohlfarth (SW) 1.2.3 Ummagnetisierungsverhalten mit kubischer Anisotropie 1.2.4 Skalierungseffekte - Superparamagnetismus 1.2.5 Magnetische Wechselwirkungen zwischen Partikeln 1.3 Nanopartikelentstehung und Thermodynamik der Phasenbildung 1.3.1 Nukleation von Nanopartikeln aus der Gasphase 1.3.2 Partikelwachstum 1.4 Definition der Fragestellung 2 Experimentelles und Methoden 2.1 Das Nanopartikel-Depositions-System 2.2 Konstruktion und Aufbau des Lichtofens 2.2.1 Vermessung der Lichtofenleistung 2.2.2 Justage des Lichtofens 2.3 Optische Wärmebehandlung von Nanopartikeln 2.3.1 Wärmeströme 2.3.2 Absorptionsquerschnitt 2.3.3 Dielektrische Funktion 2.3.4 Schwarzkörperstrahlung 2.3.4.1 Beschreibung des Spektrums von Halogenlampen 2.3.4.2 Abstrahlungsleistung von Nanopartikeln 2.4 Berechnung der Partikeltemperatur 2.4.1 Optische Konstanten für L10-FePt Nanopartikel 2.4.2 Strahlungsverhalten freier Partikel 2.4.3 Numerische Berechnung der Partikelgeschwindigkeit 2.4.4 Experimentelle Bestimmung der Wärmekapazität von FePt 2.4.5 Bestimmung der Partikeltemperatur durch iterative Integration 2.4.6 Zusammenfassende Bewertung zum Optischen Heizen 2.5 Charakterisierung mittels TEM- und HRTEM-Analysen 2.5.1 Bestimmung der Größenverteilung 2.5.2 Bestimmung des Agglomerationsgrades 2.5.3 Auswertung der Kristallstruktur mittels HRTEM 2.6 Magnetisierungsmessungen 2.6.1 Magnetische Charakterisierung mittels VSM-Messungen 2.6.2 Messung der Hysterese-Schleife 2.6.3 Remanenzanalyse 3 Sintern von Partikeln 3.1 Optisches Heizen im Flug 3.2 Diskussion 4 Optimierung der Herstellungsparameter anhand HRTEM-Strukturanalyse 4.1 Einzelpartikel 4.1.1 Ungeheizte Einzelpartikel 4.1.2 Geheizte Einzelpartikel 4.2 Partikel-Agglomerate 4.2.1 Ungeheizte Agglomerate 4.2.2 Geheizte Agglomerate mit hohem Targetalter 4.2.3 Geheizte Agglomerate mit geringem Targetalter 4.3 Diskussion 5 Magnetische Eigenschaften geheizter Partikel 5.1 Einfluss der Wärmebehandlung auf die magnetische Hysterese 5.1.1 Überheizen kleiner Partikel 5.1.2 Überheizen großer Partikel 5.2 Magnetisierungsprozess 5.2.1 Messung des Remanenzverhaltens kleiner und großer Partikel 5.2.2 Temperaturabhängigkeit der Schaltfeldverteilung 5.3 Diskussion 6 Korrelation der effektiven Anisotropie mit der Partikelgrößenverteilung 6.1 Bestimmung der effektiven uniaxialen und kubischen Anisotropieverteilung 6.2 Korrelation der Partikelgröße mit der Anisotropie für kleine Partikel 6.3 Korrelation der Partikelgröße mit der Anisotropie für große Partikel 6.4 Diskussion 7 Zusammenfassung Literaturverzeichnis

Cette étude a pour objectif de montrer la pertinence de l'utilisation de la résonance ferromagnétique dans l'étude du magnétisme des nanoparticules. Les recherches en nanomagnétisme présentent des enjeux fondamentaux et appliqués fortement liés nécessitant une étude minutieuse des nouvelles propriétés qu'offrent les nanomatériaux. C'est le cas des alliages bimétalliques à base de fer lorsqu'ils se présentent en dimension réduite. Parmi les moyens disponibles pour révéler les propriétés magnétiques de nanoparticules, la résonance ferromagnétique, lorsqu'elle est mesurée en fonction de la température, présente l'avantage d'être sensible à la fois à la distribution en taille, à l'anisotropie magnétique et à l'aimantation des nanoparticules. Parallèlement, des études structurales, s'appuyant sur l'absorption et la diffraction des rayons X ainsi que la diffraction électronique, ont été menées afin de déterminer leurs compositions chimique et cristalline en fonction de la température. L'utilisation conjuguée de ces techniques a permis de mettre clairement en évidence l'apparition au sein des nanoparticules d'un couplage d'échange entre un coeur bimétallique à très forte anisotropie magnétocristalline, et une coquille formée d'un oxyde de fer magnétique à température de Curie élevée.

L'objectif de ce travail de thèse est de préparer des fils de CoPt et FePt par dépôt électrochimique dans des membranes d'alumine nanoporeuse. Le bain électrochimique que nous avons utilisé comprend seulement deux sels (des chlorures), un pour le cobalt (CoCl2, 6H2O) et un pour le platine (K2PtCl6). Nous avons réussi à réaliser des réseaux de nanofils de CoPt ayant des diamètres d'environ 70-80 nm et dont la coercitivité atteint 1.1 Tesla à température ambiante. Ces matériaux magnétiquement durs présentent la phase quadratique L10 obtenue après un recuit à 700 °C de la phase cubique déposée.<br />Nous avons étudié les propriétés structurales et magnétiques d'échantillons préparés dans les deux types de membranes que nous avons utilisées: des membranes faites au laboratoire par anodisation d'une couche d'aluminium et des membranes commerciales. Les mesures magnétiques effectuées parallèlement et perpendiculairement à l'axe des fils montrent un comportement parfaitement isotrope. La qualité des deux types de réseau de pores utilisés ne semble pas avoir d'influence sur les propriétés magnétiques et en particulier sur le champ coercitif des échantillons étudiés. Les paramètres (température, durée) du recuit sont les paramètres essentiels pour obtenir la transformation la plus complète possible de la phase cubique déposée en la phase quadratique ordonnée L10 .<br />La préparation de nanofils de FePt s'est révélée plus compliquée du fait de la facilité du fer à former des oxydes. Nous avons tout de même réussi à préparer des réseaux de nanofils de FePt de 55~nm de diamètre avec une coercitivité de 1.1 Tesla mais non homogènes en composition.

Cette thèse concerne la mise en place de méthodes numériques pour déterminer les configurations magnétiques d'équilibre, et leur utilisation pour des systèmes possédant des hétérogénéités structurales et des singularités magnétiques.<br /><br />Nous décrivons tout d'abord un algorithme fondé sur une méthode multipolaire rapide et qui permet de calculer efficacement le champ dipolaire dans une assemblée de spins dans le cadre du modèle de Heisenberg classique. <br /><br />En utilisant ce modèle, nous étudions l'interaction de parois magnétiques avec des défauts structuraux dans des couches minces de FePt. Nous traitons le cas des parois d'antiphase et les micromacles. Nous analysons les valeurs des champs de décrochage des parois magnétiques, notamment en les comparant avec des données expérimentales.<br /><br />Nous détaillons ensuite une méthode multiéchelle que nous développée. Cette méthode permet, dans un formalisme unifié, de décrire un système avec le modèle de Heisenberg et le modèle micromagnétique.<br /><br />La dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de systèmes de grande taille possédant des variations spatiales rapides d'aimantation, en utilisant la méthode multiéchelle : vortex dans un élément magnétique, configurations avec un point de Bloch dans un cube, bulle magnétique dans une couche mince de FePd. Dans ce dernier cas, les résultats sont comparés à des observations récentes par microscopie de Lorentz.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit kontinuierlichen FePt-L10-Dünnschichten. Der Fokus liegt dabei auf den strukturellen Eigenschaften der FePt-Legierung in der chemisch geordneten L10-Phase und deren Auswirkungen auf magnetische Eigenschaften des Systems. Die Quantifizierung der chemischen Ordnung erfolgte durch Röntgenbeugung (XRD). Die magnetische Hysterese wurde durch SQUID-VSM untersucht. Die Analyse der Oberflächentopografie erfolgte mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM). Es konnte gezeigt werden, dass die Herstellung von L10-geordneten und gleichzeitig kontinuierlichen FePt-Schichten mittels Magnetronsputterdeposition bei hohen Temperaturen von 500°C bis 600°C möglich ist. Weiterhin wurde die Abhängigkeit der senkrechten magnetokristallinen Anisotropie von der chemischen Ordnung untersucht. Es konnte eine Anisotropieenergiedichte von 27 Merg/ccm erreicht werden.:1 Einleitung 2 Theorie 2.1 Magnetische Materialien 2.1.1 Grundlagen 2.1.2 Magnetische Hysterese 2.1.3 Magnetische Anisotropie 2.2 FePt-Legierungen 2.2.1 Strukturelle Eigenschaften und chemische Ordnung 2.2.2 Magnetische Eigenschaften 3 Experimentelle Methoden 3.1 Magnetronsputterdeposition 3.2 Röntgenbeugung und Röntgenreflektometrie 3.2.1 Röntgenbeugung 3.2.2 Röntgenreflektometrie 3.3 Rasterkraftmikroskopie 3.4 Magnetometrie 3.5 Transmissionselektronenmikroskopie 3.6 Rutherfordrückstreuspektrometrie 3.7 Röntgenphotoelektronenspektroskopie 4 Qualität der MgO-Substrate 5 Hergestellte FePt-Schichten 6 Ergebnisse 6.1 Chemische Ordnung von FePt 6.2 Kontinuität von dünnen FePt-Schichten 6.2.1 Oberflächenanalyse mit Rasterkraftmikroskopie 6.2.2 Hinweise auf kontinuierliche Schichten 6.2.3 Verunreinigungen der Probenoberfläche 6.3 Magnetische Eigenschaften von FePt 7 Zusammenfassung 8 Ausblick Literatur

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Chemically ordered FePt is one of the most promising materials to reach the ultimate limitations in storage density of future magnetic recording devices due to its high uniaxial magnetocrystalline anisotropy and a corrosion resistance superior to rare-earth based magnets. In this study, FePt and FePt/Cu bilayers have been sputter deposited at room temperature onto thermally oxidized silicon wafers, glass substrates and self-assembled arrays of spherical SiO2 particles with diameters down to 10 nm. Millisecond flash lamp annealing, as well as conventional rapid thermal annealing was employed to induce the phase transformation from the chemically disordered A1 phase into the chemically ordered L10 phase. The influence of the annealing temperature, annealing time and the film thickness on the ordering transformation and (001) texture evolution of FePt films with near equiatomic composition was studied. Whereas flash lamp annealed FePt films exhibit a polycrystalline morphology with high chemical L10 order, rapid thermal annealing can lead to the formation of chemically ordered FePt fifilms with (001) texture on amorphous SiO2/Si substrates. The resultant high perpendicular magnetic anisotropy and large coercivities up to 40 kOe are demonstrated. Simultaneuosly to the ordering transformation, rapid thermal annealing to temperatures exceeding 600 °C leads to a break up of the continuous FePt film into separated islands. This dewetting behavior was utilized to create regular arrays of FePt nanostructures on SiO2 particle templates with periods down to 50 nm. The addition of Cu improves the (001) texture formation and chemcial ordering for annealing temperatures T < 600 °C. In addition, the magnetic anisotropy and the coercivity of the ternary FePtCu alloy can be effectively tailored by adjusting the Cu content. The prospects of FePtCu based exchange spring media, as well as the magnetic properties of FePtCu nanostructures fabricated using e-beam and nanoimprint lithography have been investigated.

Advanced scanning magnetoresistive microscopy (SMRM) — a robust magnetic imaging and probing technique — is presented. It utilizes conventional recording heads of a hard disk drive as sensors. The spatial resolution of modern tunneling magnetoresistive sensors is nowadays comparable with more commonly used magnetic force microscopes. Important advantages of SMRM are the ability to detect pure magnetic signals directly proportional to the out-of-plane magnetic stray field, negligible sensor stray fields, and the ability to apply local bipolar magnetic field pulses up to 10 kOe with bandwidths from DC up to 1 GHz. The performance assessment of this method and corresponding best practices are discussed in the first section of this work. An application example of SMRM, the study on chemically ordered L10 FePt is presented in a second section. A constructed heater unit of SMRM opens the path to investigate temperature-dependent magnetic properties of the medium by recording and imaging at elevated temperatures. L10 FePt is one of the most promising materials to reach limits in storage density of future magnetic recording devices based on heat-assisted magnetic recording (HAMR). In order to be implemented in an actual recording scheme, the medium Curie temperature should be lowered. This will reduce the power requirements, and hence, wear and tear on a heat source — integrated plasmonic antenna. It is expected that the exchange coupling of FePt to thin Fe layers provides high saturation magnetization and elevated Curie temperature of the composite. The addition of Cu allows adjusting the magnetic properties such as perpendicular magnetic anisotropy, coercivity, saturation magnetization, and Curie temperature. This should lead to a lowering of the switching field of the hard magnetic FeCuPt layer and a reduction of thermally induced recording errors. In this regard, the influence of the Fe layer thickness on the switching behavior of the hard layer was investigated, revealing a strong reduction for Fe layer thicknesses larger than the exchange length of Fe. The recording performance of single-layer and bilayer structures was studied by SMRM roll-off curves and histogram methods at temperatures up to 180 °C In the last section of this work, SMRM advantages are demonstrated by various experiments on a two-dimensional magnetic vortex lattice. Magnetic vortex is a peculiar complex magnetization configuration which typically appears in a soft magnetic structured materials. It consists of two coupled sub-systems: the core, where magnetization vector points perpendicular to the structure plane, and the curling magnetization where magnetic flux is rotating in-plane. The unique properties of a magnetic vortex making it an object of a great research and technological interest for spintronic applications in sensorics or data storage. Manipulation of the vortex core as well as the rotation sense by applying a local field pulse is shown. A spatially resolved switching map reveals a significant "write window" where vortex cores can be addressed correctly. Moreover, the external in-plane magnet extension unit allow analyzing the magnetic vortex rotational sense which is extremely practical for magnetic coupling investigations of magnetic coupling phenomena.