L'effet magnétoélectrique (ME) est la modification de la polarisation électrique par l'application d'un champ magnétique (effet ME direct), ou bien la modification de l'aimantation magnétique par l'action d'un champ électrique (effet ME inverse).L'utilisation de matériaux composites permet de reproduire de manière extrinsèque cet effet. Le couplage mécanique entre des matériaux magnétostrictifs et piézoélectriques fournit un effet ME extrinsèque plus important à température ambiante que celui fournit intrinsèquement. Nous avons dégagé (théoriquement et expérimentalement) différentes caractéristiques de matériaux nécessaires à l'obtention d'un effet ME important et justifé l'utilisation de ferrite et de PZT dans les composites ME. Nous expliquons dans cette thèse, les méthodes de fabrications des différentes géométries de composites étudiées (empilement de couches ou bien inclusions d'une phase dans l'autre). En particulier, l'utilisation du frittage non conventionnel par Spark Plasma Sintering, pour améliorer le couplage mécanique y est abordée. En nous focalisant sur la géométrie en multicouche, nous avons montré l'importance de facteurs tels que le champ démagnétisant ou encore la symétrie de la structure. Nous présentons un prototype de capteur de courant utilisable en génie électrique. Nous en avons montré sa bonne linéarité et sensibilité, mais aussi ses défauts en terme de bande passante. / The magnetoelctric (ME) response consists in the modification of the electric polarization by an applied magnetic field (direct effect) or the modification of the magnetic polarization by an applied electric field (inverse effect). Intrinsic multiferroics are rather uncommon and the effect is often weak at room temperature. An alternative route to achieve ME effect, consists in using magnetostrictive and piezoelectric materials and coupling the two phases by mechanical stress. We draw (theoretically and experimentally) some material characteristics to achieve an importantME effect, which justify the use of ferrite and PZT. We describe the production process of the two studied connectivity schemes (stack of layers or inclusion of a phase in another). We focus on the sintering by Spark Plasma Sintering as a potential improvement of the mecanical bonding. We devoted a part of our work on multilayer composite and showed the importance of some factors such as the demagnetizing effect or the symmetry of the structure. We introduce a current sensor prototype suitable for electrical engineering application. We showed its good linearity and sensitivity but also some effects of its bandwidth.

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanent / As new information and communication technologies boom, the energy consumption of data processing and storage systems has become a major issue. The limits of state of the art systems regarding this gives rise to the need for ground-breaking ultra-low power technologies.This PhD thesis suggests an original approach of this issue, based on a bistable composite magnetoelectric element (piezoelectric/magnetostrictive) which can be controlled unequivocally, named MELRAM.The static energetic study shows that the combination of an uniaxial anisotropy and a static magnetic bias field defines two stable and perpendicular equilibrium positions for magnetization in the magnetostrictive part. The application of piezoelectric stress allows the electric control of the magnetization position.The energetic study also shows the long term (10 years) stability of the system, in a large temperature range around room temperature, with an energy barrier of 60kBT. The dynamic study, using the macrospin model, gives a response time less than 1ns. The dissipated energy during writing, of electric and magnetic origin, is estimated at 261kBT (1.1aJ), that is to say four orders of magnitude below the state of the art.Several reading strategies using spin valves and magnetic tunnel junction are proposed and commented. First realization of nanometer-sized magnetostrictive elements are presented as well as an integrated polarization solution, using permanent magnets

Avec le développement des nouvelles technologies de l'information et de la communication (NTIC), la consommation énergétique des systèmes de traitement et de stockage de données est devenue un problème majeur. Les limites des systèmes actuels à cet égard impliquent le besoin de technologies de rupture ultra-basse consommation.Cette thèse propose une approche originale de cette problématique, basée sur l'utilisation d'un élément magnétoélectrique composite (piézoélectrique/magnétostrictif) bistable et commandable de façon univoque, baptisé MELRAM.L'étude énergétique statique montre que la combinaison d'une anisotropie uni-axiale et d'un champ de polarisation magnétique statique définit deux positions d'équilibre stables perpendiculaires pour l'aimantation dans la partie magnétostrictive. L'application de contraintes piézoélectriques sur celle-ci permet de contrôler électriquement la position de l'aimantation. L'étude énergétique du système permet également de montrer la stabilité du système à long terme (10 ans), dans une large gamme de températures autour de l'ambiante, avec une barrière énergétique de 60kBT. L'étude dynamique, utilisant le modèle du macrospin, permet quant à elle d'exhiber un temps de réponse inférieur à 1ns. L'énergie dissipée lors de l'écriture, d'origine électrique et magnétique, est évaluée à 261kBT (1,1aJ), soit quatre ordres de grandeur en dessous de l'état de l'art.Plusieurs stratégies de lecture par vanne de spin et jonction tunnel magnétique sont proposées et commentées. Les premières réalisations d'éléments nanométriques magnétostrictifs sont présentées ainsi qu'une solution de polarisation magnétique intégrée par aimant permanent.

Les multiferroïques sont des matériaux qui présentent la rare propriété de posséder simultanément un ordre magnétique et un ordre ferroélectrique qui interagissent via le couplage magnétoélectrique. Un tel couplage est un enjeu considérable dans l'électronique de spin et le stockage de l'information car il offre l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique et vice versa. Les multiferroïques se séparent en deux grandes familles. Les types I comme BiFeO3 qui présentent une coexistence des ordres magnétique et ferroélectrique et les types II comme TbMnO3 où la ferroélectricité est induite par la structure de spin. Dans BiFeO3 la coexistence et l'interaction des ordres offrent l'opportunité de contrôler les spins via un champ électrique. En développant un dispositif transistor pour l'application du champ électrique sur les monocristaux de BiFeO3 à température ambiante, nous avons montré que la fréquence des ondes de spin peut être modifiée électriquement de 30%. Ces résultats ont montré que BiFeO3 est un matériau très prometteur pour la génération et le contrôle d'onde de spin dans les futurs dispositifs magnoniques. Dans TbMnO3 la filiation des ordres donne naissance à des excitations hybrides : des électromagnons, excitations d'onde de spin possédant un dipôle électrique. Nous avons mis en évidence par diffusion Raman l'existence de cette onde de spin polaire ainsi que la deshybridation de ces excitations lors de l'application d'un champ magnétique. Ce champ fait transiter TbMnO3 d'un état ferroélectrique à un état paraélectrique permettant de dévoilé les composantes magnétique et électrique élémentaires à l'origine des électromagnons.

Les matériaux magnetoélectriques multiferroïques sont particulièrement attrayants dans le domaine de l’électronique de spin, notamment dans la perspective de contrôler l’aimantation d’un matériau à partir d’un champ électrique. Les multiferroïques dits artificiels, constitués de phases ferroélectriques et magnétiques séparées, permettent de contourner la rareté de matériaux multiferroïques intrinsèques. S’ils peuvent présenter des valeurs de couplage plus élevées les mécanismes en jeu sont encore mal compris. Leur compréhension requiert l’étude d’échantillons parfaitement cristallisés et maitrisés. L’association en films minces (entre 3 et 20nm) épitaxiés de BaTiO₃, ferroélectrique de référence et de CoFe₂O₄, ferrimagnétique très magnétostrictif et à haute température de Curie, constitue un système modèle bien adapté à une telle étude. Dans cette thèse, nous réalisons des films minces de grande qualité cristalline de CoFe₂O₄ / BaTiO₃ sur substrat SrTiO₃ (001) par épitaxie par jets moléculaires sous plasma d’oxygène atomique. Dans un premier temps, nous étudions indépendamment pour chaque phase les propriétés individuelles de chimie, structure, magnétisme et ferroélectricité, notamment via des techniques de synchrotron. Forts de cette base, nous mettons en place différentes expériences d’étude du couplage magnétoélectrique direct et indirect, avec l’application d’une polarisation électrique et une mesure d’aimantation, et vice versa. Nous observons l’existence d’un couplage magnétoélectrique, notamment grâce la forte interaction des couches de CoFe₂O₄ et BaTiO₃. En revanche, les mécanismes indirects dominent, et impliquent des modifications structurales et chimiques via des mouvements ioniques. Ces mécanismes ioniques créent des modifications réversibles de résistance à température ambiante ouvrant la voie, au-delà des propriétés multiferroïques, à de possibles applications pour les RAM résistives. / Magnetoelectric multiferroics are of particular interest in the field of spintronics, especially for the possible control of the magnetization using an electric field. The lack of intrinsic multiferroics can be circumvented by using artificial multiferroics, made with individual ferroelectric and magnetic phases. Although they may exhibit higher coupling values, the precise coupling mechanisms involved are still not well understood. Getting insights in the understanding of these phenomena requires studying well mastered and crystallized samples. The combination of BaTiO₃ thin films (3 to 20nm), the prototypical ferroelectric, and of CoFe₂O₄ ones, a highly magnetostrictive ferromagnet with a high Curie temperature, constitutes a suitable model system well suited for such a study. In this thesis, we realized CoFe₂O₄ / BaTiO₃ thin films of high crystalline quality by oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy on a SrTiO₃ (001) substrates. First, we study independently for each phase the individual properties of chemistry, structure, magnetism and ferroelectricity, using in particular a range of synchrotron techniques. Based on those fundamental results, we set up direct and indirect magnetoelectric coupling experiments, where we apply an electric polarization to measure a change in magnetization, and vice versa. We manage to observe the magnetoelectric coupling, mainly through the strong interaction of the CoFe₂O₄ and BaTiO₃ films. The indirect mechanisms dominate however and involve structural as well as chemical modifications through ion displacement. Those ion displacements create reversible changes in resistance at room temperature. These results imply that, in addition to the evidenced multiferroic properties, the system makes also promise for resistive RAM devices applications.

Ce travail de thèse concerne l’étude de nouveaux matériaux hybrides organiques-inorganiques lamellaires magnétiques et luminescents synthétisés par voie hydrothermale. Ces matériaux ont été obtenus à partir de sels de métaux de transition de configuration électronique 3d (Cu2+, Co2+, Mn2+, Zn2+) et de molécules organiques de basse symétrie constituées d’au moins un acide phosphonique greffé sur une plateforme rigide aromatique (phényle ou naphtalène). Le choix du cation métallique ainsi que l’ajout d’autres fonctions (halogène : F, Cl, Br, I, acide carboxylique ou méthyle) sur ces systèmes cycliques ont conduit à des matériaux hybrides bidimensionnels aux architectures et propriétés physiques (luminescence, magnétisme et/ou couplage magnétoélectrique) diverses. La compréhension du lien entre les propriétés structurales et physiques de ces métallophosphonates ouvre la voie vers la conception de nouveaux matériaux multifonctionnels originaux. / This PhD work deals with the study of new lamellar magnetic and luminescent organic-inorganic hybrid materials synthesized by hydrothermal process. These materials were obtained from 3d transition metal salts (Cu2+, Co2+, Mn2+, Zn2+) and low symmetric organic molecules bearing at least one phosphonic acid function grafted onto a rigid aromatic platform (phenyl or naphthalene). The choice of the metal cation as well as additional functions (halogen: F, Cl, Br, I, carboxylic acid or methyl) on these cyclic systems led to two-dimensional hybrid materials with various architectures and physical properties (luminescence, magnetism and/or magnetoelectric coupling). Understanding the interconnections between the structural and physical properties of these metal phosphonates paves the way for the design of novel multifunctional materials.

Cette thèse expérimentale a permis d'étudier différents aspects des composés multiferroïques et magnétoélectriques et notamment l'influence des propriétés magnétiques sur les propriétés diélectriques et magnétoélectriques dans deux familles de composé : le trisulfure de phosphore de manganèse MnPS3 et les langasites au fer. Nous nous sommes aussi intéressés en détail aux propriétés de chiralité magnétique dynamique du composé Ba3NbFe3Si2O14 de cette dernière famille.Les langasites au fer présentent une structure cristalline non centrosymétrique et chirale. Les mesures macroscopiques d'aimantation et les expériences de diffraction de neutrons, y compris polarisés avec analyse de polarisation, ont permis de mettre en évidence une double chiralité magnétique (triangulaire et hélicoïdale). Les signatures de cette chiralité statique sont également observées dans les excitations magnétiques, notamment sous la forme d'une section efficace non nulle associée aux corrélations dynamiques antisymétriques. Ces résultats ont été interprétés à l'aide de calculs d'onde de spins conduits dans une approche linéaire. Enfin différentes échelles d'énergie ont été mises en évidence dans les fluctuations paramagnétiques avec en particulier des fluctuations magnétiques associées aux corrélations antisymétriques.Il a été mis en évidence dans le trisulfure de manganèse MnPS3 un ordre magnétique antiferromagnétique également associé à un moment toroïdal macroscopique non nul ainsi qu'un couplage magnétoélectrique non diagonal non nul. Ce couplage a été mis en évidence à l'aide d'une expérience de diffraction de neutrons polarisés avec une analyse de polarisation sphérique ce qui a permis de \og jouer\fg{} avec les domaines antiferromagnétiques de MnPS3 à l'aide de refroidissements au passage de la température de Néel sous des champs magnétique et électrique croisés. / This Phd report shows several aspects of multiferroic and magnetoelectric properties and especially the effect of magnetic properties on dielectric and magnetoelectric behavior of two families of compounds : the manganese trisulfure phosphorus MnPS3 and the iron langasite.We also present in details the magnetic dynamical chirality properties of the compound Ba3NbFe3Si2O14 of the langasite family.Iron langasites show a non centrosymetric and a chiral crystal structure. The macroscopic magnetization measurements and neutron scattering experiments, including the use of polarized neutrons and polarization analysis, have allowed to enlighten a double magnetic chirality (helical and triangular). This chirality has a signature in the magnetic excitations and notably by non zero cross sections associated to dynamical antisymmetric correlations of spins. Those results are interpreted by spin-wave calculations in a linear approach. At last, different energy scales appear in the paramagnetic fluctuations with, in particular, magnetic fluctuations associated to antisymmetric correlations.The MnPS3 manganese trisulfure compound exhibits an antiferromagnetic order with an non zero macroscopic toroidization and a non zero non diagonal magnetoelectric coupling. This coupling has been enlightened by spherical neutron polarimetry experiment. We played with antiferromagnetic domains by cooling the sample through its Néel température under crossed magnetic and electric fields.

La manipulation de parois de domaine magnétique – qui séparent des régions d’aimantation uniforme dans les matériaux – est associée à des enjeux à la fois fondamentaux et technologiques. De nombreux travaux portent sur l’utilisation de champs magnétiques et de courants électriques pour leur déplacement. Cependant, des préoccupations particulières – notamment la dissipation d’énergie - motivent la recherche d’alternatives. Parmi les solutions potentielles, le couplage magnétoélectrique par l’intermédiaire de contraintes mécaniques dans des hétérostructures magnétoélastique/piézoélectrique paraît prometteur. Dans cette thèse, il est montré que l’association d’un champ magnétique de biais et de contraintes mécaniques uniformes peut engendrer le déplacement unidirectionnel d’une paroi de domaine transverse dans des nanostructures à anisotropie uniaxiale. Les considérations statiques et dynamiques de ce phénomène sont étudiées par le biais de procédures numériques ad hoc simulant le couplage mécanique entre substrat de PMN-PT de coupe 011 générant des contraintes, et nanostructures multicouches magnétoélastiques TbCo2/FeCo. Le design du profil de section des nanostructures permet de moduler la réponse du système, par exemple pour contrôler la position de parois confinées. La dynamique du système se distingue des régimes habituels de par la forme de la paroi de domaine. L’atteinte de régimes permanents dans des nanorubans montre que des vitesses comparables aux autres techniques sont obtenues, pour une dissipation d’énergie beaucoup plus faible. Des travaux expérimentaux ont permis de mettre au point un process de fabrication sur PMN-PT et d’explorer l’effet magnétoélectrique / The manipulation of magnetic domain walls – that separate regions of uniform magnetization – is associated with both fundamental and technological research interests. A large part of the literature on domain wall motion deals with the use of magnetic fields and electric currents. However, several concerns – most notably energy dissipation – motivates the search for alternatives. Among potential candidates, the mechanical stress-mediated magnetoelectric coupling in magnetoelastic/piezoelectric heterostructures seems promising. In this thesis, it is shown that the combination of a bias magnetic field and uniform mechanical stress can induce unidirectional domain wall motion in nanostructures with uniaxial anisotropy. Static and dynamic aspects of this phenomenon are studied by means of ad hoc numerical procedures simulating the mechanical coupling of 011-cut PMN-PT generating the stress, and TbCo2/FeCo multilayers magnetoelastic nanostructures. The design of the cross section profile in nanostructures allows to tailor the response of the system, enabling for instance the control of domain wall position in confined geometries. The associated dynamics stands apart from known regimes because of the shape of the domain wall. The existence of steady-state regimes in nanostripes of constant width shows that velocities comparable to those of other techniques can be obtained, for a fraction of the energy required. Experimental investigations resulted in the development of a successful fabrication process on PMN-PT and the exploration of the magnetoelectric effect

Cette thèse expérimentale a permis d'étudier différents aspects des composés multiferroïques et magnétoélectriques et notamment l'influence des propriétés magnétiques sur les propriétés diélectriques et magnétoélectriques dans deux familles de composé : le trisulfure de phosphore de manganèse MnPS3 et les langasites au fer. Nous nous sommes aussi intéressés en détail aux propriétés de chiralité magnétique dynamique du composé Ba3NbFe3Si2O14 de cette dernière famille.Les langasites au fer présentent une structure cristalline non centrosymétrique et chirale. Les mesures macroscopiques d'aimantation et les expériences de diffraction de neutrons, y compris polarisés avec analyse de polarisation, ont permis de mettre en évidence une double chiralité magnétique (triangulaire et hélicoïdale). Les signatures de cette chiralité statique sont également observées dans les excitations magnétiques, notamment sous la forme d'une section efficace non nulle associée aux corrélations dynamiques antisymétriques. Ces résultats ont été interprétés à l'aide de calculs d'onde de spins conduits dans une approche linéaire. Enfin différentes échelles d'énergie ont été mises en évidence dans les fluctuations paramagnétiques avec en particulier des fluctuations magnétiques associées aux corrélations antisymétriques.Il a été mis en évidence dans le trisulfure de manganèse MnPS3 un ordre magnétique antiferromagnétique également associé à un moment toroïdal macroscopique non nul ainsi qu'un couplage magnétoélectrique non diagonal non nul. Ce couplage a été mis en évidence à l'aide d'une expérience de diffraction de neutrons polarisés avec une analyse de polarisation sphérique ce qui a permis de \og jouer\fg{} avec les domaines antiferromagnétiques de MnPS3 à l'aide de refroidissements au passage de la température de Néel sous des champs magnétique et électrique croisés.

Les capteurs magnéto-électrique (ME) sont une alternative prometteuse pour mesurer de faibles signaux magnétiques. Précédemment le choix était généralement de déposer des couches minces magnétostrictives sur un matériau piézoélectrique massif conduisant à des systèmes macroscopiques de taille milllimétrique. L’intégration de ces systèmes dans des MEMS (micro-electro-mechanical systems) requiertà la fois de résoudre les problèmes d’intégration de matériaux actif sur silicium, et de mesurer des petits signaux étant donné l’importante réduction de la réponse du système lorsqu’il est miniaturisé.Dans cette optique, le premier objectif de ce travail de thèse a été d’intégrer un matériau piézoélectrique sur un substrat de silicium tout en conservant une excellente qualité cristalline. Pb(Zr ₀ , ₅ ₂Ti ₀ ,₄₈)O₃ (PZT) a été retenu pour ces excellente propriétés piézoélectriques. L’intégration de la couche mince ce fait sur silicium qui est le substrat de prédilection pour la fabrication de microsystèmes avec les procédés microélectroniques standards. La qualité cristalline des matériaux actifs est directement corrélée aux couches d'adaptation utilisées pour obtenir une bonne qualité cristalline sur silicium. Pour cel l'intégration d'une tricouche composée de zircone stabilisée à l'yttrium (YSZ), d'oxyde de cérium (CeO₂) et de SrTiO₃ permet ensuitela croissance des pérovskites d'intérêt pour le dispositif. Le choix de l’électrode conductrice inférieure (SrRuO₃ ou La ₀ ,₆₆Sr₀₃₃MnO₃ dans le cas présent) permet de contrôler l’orientation de la maille de PZT.Une première étude des propriétés piézoélectriques de la couche mince de PZT sous la forme d’une poutre libre pour son intégration dans un système magnétoélectrique a été réalisé. La mesure de la déformation de la poutre induite par l'application d'une tension électrique permet d'extraire un coefficient d₃₁ de -53pmV⁻¹, valeur inférieure au matériau massif mais à l'état de l'art dans ce type de dispositif. Dans une seconde étape, l’utilisation de la poutre comme résonateur à été étudiée. L’étude dynamique du système a permis d'obtenir la fréquence de résonance et le facteur de qualité. Le déplacement de la fréquence caractéristique du système en fonction d'une contrainte induite par une tension DC a été investigué. Enfin, l'ajout d'une couche de matériau magnétostrictif (TbFeCo) sur la poutre a finalisé la structure du capteur. Le capteur ainsi obtenu a été caractérisé et une sensibilité d’une dizaine de micro Tesla a été obtenue. / Magneto-electric (ME) sensors have been demonstrated as a promising alternative for the detection of weak magnetic signals with high sensitivity. To date, most applications focused on the use of bulk piezoelectric materials on which magnetostrictive thin films are deposited leading to millimeter-sized devices. The integration of such devices into micro-electro-mechanical systems (MEMS), bringing smaller size and lower power consumption, involves addressing several scientific issues ranging from the integration of active materials on silicon to the strong reduction in amplitude of generated signals related to the size reduction of the sensor.In this context, the first goal of this thesis work was to integrate high crystalline quality piezoelectric thin films on silicon.Pb(Zr ₓTi ₁ ₋₁)O₃ (PZT) with a morphotropic composition (x=0.52) having high electromechanical coupling factor was chosen. Silicon is a necessary template as it allows for the use of conventional clean room processes for the realization of the microsystem. The crystalline quality of the active films is directly linked to the buffer layers that promote the crystalline growth on silicon. For this purpose, Yttria-stabilized Zirconia (YSZ) was used in combination with CeO₂ and SrTiO₃ to allow further growth of epitaxial perovskites. The choice of the bottom electrode material (SrRuO₃ or La ₀ ,₆₆Sr₀₃₃MnO₃ in this work) further tunes the crystalline orientation of the PZT layer.To probe the potential of such PZT thin films for ME devices, the first step was to characterize the electromechanical properties of this material in a free standing cantilever structure. Under an applied electric field, the measured displacement of the epitaxial PZT-based cantilevers is characterized by a coefficient d₃₁ =-53pmV⁻¹ , a reduced value with respect to the bulk material but that can be enhanced by further optimizing the film growth. The second step consists in ascertaining the ability of the cantilever to be used as resonator. For that purpose, first characterizations of oscillators have been performed to extract the resonant frequencies and the associated quality factors. Then, the resonant frequency shift with DC bias-induced stress was measured. Finally, a magnetostrictive layer of TbFeCo was added on the PZT cantilevers to sense magnetic field based on the ME effect. The resulting resonant frequency shift with external applied magnetic field was characterized with a typical sensitivity of 10’s of µT.