Cette thèse concerne l'étude d'un nouvel outil expérimental d'investigation de la dynamique de l'aimantation, adapté à la mesure de nanostructures magnétiques. Cette technique, la Microscopie par Résonance Ferromagnétique (f-MRFM), s'inspire des microscopies à sonde locale pour réaliser une détection mécanique de la Résonance Ferromagnétique (RFM). Un dispositif original a été mis au point. Ses performances sont caractérisées par l'étude d'un disque de grenat magnétique de 160 microm. de diamètre. Les résultats démontrent une sensibilité et une résolution spectrale adaptées à la mesure d'échantillons microscopiques individuels, et permettent de conclure quant à la configuration la plus judicieuse en terme d'intensité du signal ou de résolution spatiale pour l'imagerie des excitations magnétiques. Cette technique permet en outre de remonter à une information quantitative sur la RFM, capacité qui est utilisée pour obtenir une mesure directe du temps de relaxation longitudinal T1.

Ces dernières années, la Méthode Intégrale de Volume (MIV) a reçu une attention particulière pour lamodélisation des problèmes électromagnétiques en basse fréquence. Son intérêt principal est l’absencedu maillage de la région air, ce qui rend la méthode légère et rapide. Associée aux méthodes decompression matricielle la MIV devient aujourd'hui une alternative compétitive à la méthode deséléments finis pour la modélisation de dispositifs électromagnétiques ayant un volume d'airprépondérant.Ce rapport porte sur le développement de deux formulations intégrales de volume pour la résolution deproblèmes magnétostatiques avec prise en compte des matériaux non linéaires, des aimants, desbobines, des circuits magnétiques avec ou sans entrefer et des régions minces magnétiques. Lapremière est une formulation en flux de mailles indépendantes basée sur l'interpolation par éléments defacette. La deuxième est une formulation en potentiel vecteur magnétique basée sur l'interpolation paréléments d'arête. L'application de ces formulations permet d’une part d'obtenir des résultats précismême en présence d’un faible maillage et d’autre part de résoudre aisément des problèmes nonlinéaires. Des méthodes de calcul de la force magnétique globale ainsi que du flux magnétique dansles bobines ont été également mises en oeuvre. Les développements informatiques ont été réalisés dansla plateforme MIPSE et ont été validés sur des problèmes académiques ainsi que sur quelquesdispositifs industriels. / In recent years, the Volume Integral Method (VIM) has been received particular attention formodeling of low frequency electromagnetic problems. The main advantage of this method is thatinactive regions do not to be discretized, which makes it light and rapid. Associated with matrixcompression methods, the VIM is a competitive alternative to the finite element method for modelingelectromagnetic devices containing a predominant air volume.This PhD thesis focuses on the development of two volume integral formulations for solvingmagnetostatic problems, in the presence of nonlinear materials, magnets, coils, multiply connectedmagnetic regions, and the presence of magnetic shielding. The first one is a mesh magnetic fluxformulation based on the interpolation of facet elements and the second one is a magnetic vectorpotential formulation based on the interpolation of edge elements. The application of theseformulations provides accurate results even with coarse meshes and allows solving straightforwardnonlinear magnetostatic problems. Methods for computing global magnetic force and magnetic fluxthrough a coil were also implemented as part of this work. Developments performed in the MIPSEplatform were validated on academic case-tests as well as some industrial devices.

L'auteur n'a pas fourni de résumé en français / Nowadays in medicine and biotechnology a wide range of applications involves magnetic micro/nano-object manipulation including remote control of magnetic beads, trapping of drug vectors, magnetic separation of labelled cells and so on. Handling and positioning magnetic particles and elements functionalized with these particles has greatly benefited from advances in microfabrication. Indeed reduction in size of the magnet while maintaining its field strength increases the field gradient. In this context, arrays made of permanent micromagnets are good candidates for magnetic handling devices. They are autonomous, suitable for integration into complex systems and their magnetic action is restricted to the region of interest.In this thesis we have elaborated an original approach based on AFM and MFM for quantitative study of the magnetic force and associated force gradients induced by TMP micromagnet array on an individual magnetic micro/nano-object. For this purpose, we have fabricated smart MFM probes where a single magnetic (sub)micronic sphere was fixed at the tip apex of a non-magnetic probe thanks to a dual beam FIB/SEM machine equipped with a micromanipulator.Scanning Force Microscopy conducted with such probes, the so-called Magnetic Particle Scanning Force Microscopy (MPSFM) was employed for 3D mapping of TMP micromagnets. This procedure involves two main aspects: (i) the quantification of magnetic interaction between micromagnet array and attached microsphere according to the distance between them and (ii) the complementary information about micromagnet array structure. The main advantage of MPSFM is the use of a probe with known magnetization and magnetic volume that in combination with modelling allows interpreting the results ably.We conducted MPSFM on TMP sample with two types of microparticle probes: with superparamagnetic and NdFeB microspheres. The measurements carried out with superparamagnetic microsphere probes reveal attractive forces (up to few tens of nN) while MFM maps obtained with NdFeB microsphere probes reveal attractive and repulsive forces (up to one hundred of nN) for which the nature of interaction is defined by superposition of microsphere and micromagnet array magnetizations. The derived force and its gradient from MFM measurements are in agreement with experiments on microparticle trapping confirming that the strongest magnetic interaction is observed above the TMP sample interfaces, between the areas with opposite magnetization. Thanks to 3D MFM maps, we demonstrated that intensity of magnetic signal decays fast with the distance and depends on micromagnet array and microsphere properties.Besides the magnetic interaction quantification, we obtained new information relevant to TMP sample structure: we observed and quantified the local magnetic roughness and associated fluctuations, in particular in zones of reversed magnetization. The variation of detected signal can reach the same order of magnitude as the signal above the micromagnet interfaces. These results complete the experiments on particle trapping explaining why magnetic microparticles are captured not only above the interfaces, but also inside the zones of reversed magnetization.Quantitative measurements of the force acting on a single (sub)microsphere associated to the modelling approach improve the understanding of processes involved in handling of magnetic objects in microfluidic devices. This could be employed to optimize the parameters of sorting devices and to define the quantity of magnetic nanoparticles required for labelling of biological cells according to their size. More generally these experimental and modelling approaches of magnetic interaction can meet a high interest in all sorts of applications where a well-known and controlled non-contact interaction is required at micro and nano-scale.

Nous avons réalisé des couches minces de Co sur un substrat semi-conducteur (Si(111)) par voix électrochimique, en mode potentiostatique et en mode galvanostatique, et étudié leurs propriétés topographiques (AFM, MEB) et magnétique (RMN, effet Kerr, SQUID), afin de relier ces propriétés aux modes de croissance et aux conditions de dépôt à priori identiques conduisent à des morphologies et donc des propriétés magnétiques très différentes. Nous avons développé une approche rigoureuse avec un contrôle systématique de la qualité du substrat de départ pour clarifier les modes de nucléation et de croissance en fonction du potentiel appliqué en chronoampérométrie. Une transition d’un mode de nucléation instantanée vers un mode de nucléation progressive en fonction du potentiel appliqué est mise en évidence. La modélisation à l’aide du modèle de Scharifker-Hills des modes de nucléation et de croissance est cohérente avec les images de topographie AFM. La croissance est tridimensionnelle du type Volmer-Weber et l’aimantation est orientée dans le plan. Par RMN et également X-Ray Photoemission Spectroscopy (XPS), nous montrons qu’une couche d’hydroxyde de cobalt magnétiquement morte se forme à l’interface avec le Si. En mode galvanostatique, des grains avec des facettes parfaitement cristallisés présentent des domaines magnétiques localisés dans la plupart des ilots. Nous avons également effectué une étude très critique des techniques de dépôt/arrachage employées dans la littérature montrant que celle-ci sont inadaptées aux substrats semi-conducteur, un dépôt subsistant sur la surface quel que soit la technique d’arrachage choisie. / We have deposited thin layers of Co on a semiconductor substrate Si(111), by electrochemical method, in potentiostatic and galvanostatic mode, and we have studied their topographic properties (AFM, MEB) and magnetic (RMN, effet Kerr, SQUID). Thanks to these different techniques, we could relate these properties to the growth modes and to the a priori identical deposition conditions, which lead to different morphologies and therefore different magnetic properties. We have developed a rigorous approach with a systematic control of the quality of the substrate in order to clarify the nucleation and growth modes as a function of the potential applied in chronoamperometry. A transition from an instantaneous nucleation mode to a progressive nucleation mode as a function of the applied potential is highlighted. Modeling with Scharifker-Hills model of nucleation and growth modes is consistent with AFM topography images. The growth is three-dimensional of a Volmer-Weber type and the magnetization is oriented in the plane. By NMR and also X-Ray Photoemission Spectroscopy (XPS), we could show that a layer of magnetically dead cobalt hydroxide layer forms at the interface with Si. In galvanostatic mode, grains with perfectly crystallized facets have magnetic domains located in most of the islands. We have also carried out a very critical study of the deposition / tearing techniques used in the literature showing that they are unsuitable for semiconductor substrates, a deposit remaining on the surface whatever the tearing technique chosen.