Récemment, beaucoup d'efforts ont été consacrés au contrôle de l'aimantation dans les nanostructures par d'autres moyens qu'un champ magnétique externe. En effet, le but est de miniaturiser les dispositifs et il est difficile d'imposer un champ magnétique présentant de faibles dimensions latérales. D'autre part, les ondes de spin ouvrent actuellement de nouvelles perspectives dans le traitement de l'information. Les avantages qu'elles présentent sont les suivants: longueurs d'onde nanométriques, à comparer à celles des ondes électromagnétiques dans la même gamme de fréquences (GHz-THz), et absence de chauffage par effet Joule. Une possibilité de contrôle réside dans l'utilisation d'ondes acoustiques de surface pour induire la dynamique de l'aimantation ou pour contrôler les ondes de spin. En d'autres termes le contrôle de l'aimantation s’exerce alors via une déformation dynamique. Ceci est rendu possible grâce à une propriété fondamentale des corps magnétiques, le couplage magnéto-élastique, c'est-à-dire le couplage entre aimantation et déformation. Cette thèse porte sur la phénoménologie de l'interaction magnéto-élastique dans les couches minces épitaxiées magnétostrictives de Fe0.8Ga0.2. Nous avons effectué une étude expérimentale systématique des interactions magnéto-élastiques dans des films minces de différentes épaisseurs et structures magnétiques. Nous avons aussi développé deux modèles phénoménologiques, pour interpréter nos expériences. Nous obtenons le résultat important suivant: il est possible d'extraire, d'une étude acoustique, les constantes magnéto-élastiques ainsi que les constantes d'anisotropie magnétique. La thèse a aussi une forte composante technologique. Un des buts était d'exciter efficacement des ondes acoustiques de surface dans la gamme de fréquences de quelques GHz (1-5 GHz) sur substrat piézoélectrique de GaAs dans le but d'observer l'interaction résonante avec les ondes de spin thermiques. Nous avons aussi cherché à exciter des ondes de spin, dans des couches minces épitaxiées, avec des antennes RF afin d'observer l'interaction résonante. Nous présentons des expériences préliminaires sur cette interaction, qui ont été réalisées en diffusion Brillouin (BLS) et en diffusion micro Brillouin, en collaboration avec le laboratoire GHOST à Pérouse, en Italie. / Recently, lot of efforts have been devoted to control the magnetization in nanostructures by means other than external magnetic field to achieve device miniaturization, as it is difficult to handle the magnetic field at low lateral dimensions. On the other hand, a new road emerged towards the wave based computing by employing spin waves (SWs). The advantages, that SWs offer for the data processing are nm wavelength as compared to the electromagnetic waves in the same frequency range (GHz-THz) and the absence of Joule heating. A possibility exists to use Surface Acoustic Waves (SAWs), in other words, dynamic strain, to induce magnetization dynamics or to control spin waves. This is possible due to a very fundamental property of magnetic bodies, the magneto-elastic coupling, that is when magnetization orientation and strain are coupled. This thesis focuses on the phenomenology of the magneto-elastic interaction in thin epitaxied films of magnetostrictive Fe0.8Ga0.2. We performed a systematic experimental study of the magneto-elastic interactions in thin films of different thicknesses and magnetic structures. We also developed two phenomenological models in order to interpret our results. An important result of this study is that we are able to extract the magneto-elastic and the magnetic anisotropy constants by acoustic means. The thesis has also a strong technological component. One aim was to efficiently excite surface acoustic waves in GHz frequency range (1-5 GHz) on GaAs piezoelectric substrates in order to observe the resonant interaction with thermal spin waves. We also managed to excite spin waves in thin epitaxied magnetostrictive layers, using RF antennas. We report preliminary measurements on this interaction that were performed with Brillouin light scattering (BLS) and micro BLS techniques in collaboration with the GHOST laboratory in Perugia, Italy.

Les propriétés magnétiques des matériaux sont fortement connectées à leur structure cristallographique. Nous proposons un modèle atomique de la dynamique d'aimantation capable de rendre compte de cette magnétoélasticité. Bien que ce travail s'inscrive dans une thématique générale de l'étude des matériaux magnétiques en température, nous la particularisons à un seul élément, le Cobalt. Dans ce modèle effectif, les atomes sont décrits par 3 vecteurs classiques qui sont position, impulsion et spin. Ils interagissent entre eux via un potentiel magnéto-mécanique ad hoc. On s'intéresse tout d'abord à la dynamique de spin atomique. Cette méthode permet d'aborder simplement l'écriture des équations d'évolution d'un système atomique de spins dans lequel la position et l'impulsion des atomes sont gelées. Il est toutefois possible de définir une température de spin permettant de développer naturellement une connexion avec un bain thermique. Montrant les limites d'une approche stochastique, nous développons une nouvelle formulation déterministe du contrôle de la température d'un système à spins.Dans un second temps, nous développons et analysons les intégrateurs géométriques nécessaires au couplage temporel de la dynamique moléculaire avec cette dynamique de spin atomique. La liaison des spins avec le réseau est assurée par un potentiel magnétique dépendant des positions des atomes. La nouveauté de ce potentiel réside dans la manière de paramétrer l'anisotropie magnétique qui est la manifestation d'un couplage spin-orbite. L'écriture d'un modèle de paires étendu de l'anisotropie permet de restituer les constantes de magnétostriction expérimentales du hcp-Co. En considérant un système canonique, où pression et température sont contrôlées, nous avons mis en évidence la transition de retournement de spin si particulière au Co vers 695K.Nous finissons par l'étude des retournements d'aimantation super-paramagnétiques de nanoplots de Co permettant de comparer ce couplage spin-réseau aux mesures récentes. / The magnetic properties of materials are strongly connected to their crystallographic structure. An atomistic model of the magnetization dynamics is developed which takes into account magneto-elasticity. Although this study is valid for all magnetic materials under temperatures, this study focuses only on Cobalt. In our effective model, atoms are described by three classical vectors as position, momentum and spin, which interact via an ad hoc magneto-mechanical potential.The atomistic spin dynamics is first considered. This method allows us to write the evolution equations of an atomic system of spins in which positions and impulsions are first frozen. However, a spin temperature is introduced to develop a natural connection with a thermal bath. Showing the limits of the stochastic approach, a genuine deterministic approach is followed to control the canonical temperature in this spin system.In a second step, several geometrical integrators are developed and analyzed to couple together both the molecular dynamics and atomic spin dynamics schemes. The connection between the spins and the lattice is provided by the atomic positions dependence of the magnetic potential. The novelty of this potential lies in the parameterization of the magnetic anisotropy which originates in the spin-orbit coupling. Using a dedicated pair model of anisotropy, the magnetostrictive constants of hcp-Co are restored. In a canonical system where pressure and temperature are controlled simultaneously, the transition of rotational magnetization of Co is found.Finally the magnetization reversals of super-paramagnetic Co nanodots is studied to quantify the impact of spin-lattice coupling respectively to recent measurements.

Situé à l'intersection des besoins de l'industrie aéronautique et des possibilités offertes par les microtechnologies, le travail présenté dans ce mémoire concerne le dimensionnement, la réalisation et la caractérisation de micro-actionneurs à membrane souple permettant la fabrication de micro-jets pulsés pour le contrôle actif de décollement d'une part, et de micro-actionneurs à actionnement magnétostrictif intégré d'autre part. Ainsi, un cahier des charges précis est a d'abord été défini suite à l'analyse des phénomènes fluides liés au contrôle de décollement et à l'identification des besoins industriels dans ce domaine. Deux bancs de mesure ont ensuite été mis en place de manière à permettre la caractérisation complète des microjets pulsés, par ombroscopie ultra-rapide et anémométrie au fil chaud. Un prototype de microvalve dont le fonctionnement est fondé sur le pincement d'un canal microfluidique à l'aide d'une membrane souple a été dimensionné puis fabriqué. Une étude théorique du fonctionnement statique et dynamique du système couplé fluide-structure a permis d'identifier trois types d'actionnement et leur plage fréquentielle caractéristique : actionnement éléctromagnétique (0-600 Hz), auto-oscillation assistée (400-1500Hz) et auto-oscillation (1kHz – 2.5 KHz). Les prototypes fabriqués montrent quant à eux une vitesse de sortie supérieure à 100 m/s dans chacune de ces plages fréquentielles. L'optimisation de la géométrie des microvalves a ensuite été réalisée, ainsi qu'un premier packaging permettant la mise en place de barrettes d'actionneurs en soufflerie. Enfin, un microsystème innovant dont l'actionnement est fondé sur la vibration d'une micro-poutre recouverte d'un film magnétostrictif multicouche nanostructuré a été mis au point. Utilisant l'induction d'une instabilité magnétique de type Transition de Réorientation de Spin pour augmenter la sensibilité du système magnétique, nous avons montré qu'un couple de microbobines suffit à l'actionnement de ce type de structure mécanique, mettant ainsi en lumière de nouvelles méthodes d'actionnement tirant avantage des propriétés fortement non-linéaires des films magnétostrictifs au voisinage de la TRS.

L'axe de recherche original que nous avons développé dans le cadre de ce travail de thèse visait à la réalisation et l'étude d'hétérostructures moléculaires photo-magnétiques dans des gammes de température susceptibles d'applications. L'approche proposée consistait à élaborer des hétérostructures de type multiferroïque constituées de deux phases, l'une piézomagnétique et l'autre photo-strictive, et d'exploiter le couplage entre ces propriétés pour permettre l'observation d'effets photo-magnétiques à des températures plus élevées que celles rapportées pour les matériaux monophasés. La couche photo-strictive peut se déformer sous irradiation lumineuse, générant des contraintes biaxiales dans la couche magnétique. Si celle-ci présente une forte réponse piézomagnétique, son aimantation peut être fortement modifiée. Les composés analogues du Bleu de Prusse semblaient particulièrement adaptés à l'élaboration de telles hétérostructures. L'objectif principal de ce travail de thèse était la croissance contrôlée de particules cœur-coquille à base de ces composés, en se focalisant sur la composition Rb0,5Co[Fe(CN)6]0,8 . zH2O pour la phase photo-déformable et Rb0,2Ni[Cr(CN)6]0,7 . z'H2O pour la phase magnétique. Nous avons développé un protocole permettant la maîtrise de la composition chimique de la coquille, limitant de fait l'interdiffusion à l'interface. Le second point était la caractérisation de l'arrangement structural au travers de l'interface, en cherchant à préciser les relations d'épitaxie et l'éventuel caractère polycristallin de la coquille. Pour finir, le changement des propriétés magnétiques des hétérostructures cœur-coquille sous irradiation lumineuse a été étudié.

Le développement de matériaux avec différents ordres ferroïques couplés (multiferroïques) motive d’intenses activités de recherche. Une combinaison particulièrement intéressante est celle des paramètres d'ordre magnétique et électrique qui, dans le cas favorable où ceux-ci sont couplés, ouvre la voie au contrôle électrique de l’aimantation. Celui-ci peut être envisagé via la manipulation de la polarisation d’un ferroélectrique ou des déformations d’un piézoélectrique Les propriétés du matériau ferroélectrique/piézoélectrique peuvent être inversement modifiées par l’état d’aimantation, ce qui laisse envisager des applications dans le domaine des capteurs de champs magnétiques. Ce travail s’inscrit dans l’étude de systèmes piézoélectrique/ magnétostrictif, avec un intérêt spécifique porté à l’influence de l’aimantation sur les ondes acoustiques de surface (SAW) générées dans le dispositif. Nous avons ainsi déposé des couches polycristallines de Ni, des multicouches [Co/IrMn], ainsi que des couches épitaxiées de TbFe2 sur des substrats de Niobate de Lithium (LNO) de différentes orientations. Sur LNO Z-cut, la croissance de TbFe2 est réalisée en utilisant différentes couches tampons simples ou doubles qui permettent d’obtenir des directions de croissance [111] ou [110] avec des anisotropies magnétiques respectivement perpendiculaire et planaire. Sur des substrats de coupe 128Y et 41Y, la croissance s’avère beaucoup plus complexe mais il est néanmoins possible d’obtenir un film cristallisé de TbFe2 multidomaines avec des relations d’orientation 3D similaires à celles obtenus sur LNO Z-cut, que ce soit entre la couche magnétique et la couche tampon, ou entre la couche tampon et le substrat. Des dispositifs magnétiques à ondes acoustiques de surface (MSAW) ont été ensuite fabriqués dans une géométrie de résonateur permettant une interrogation à distance aisée. La fréquence de résonance des dispositifs MSAW est sensible à l’application d’un champ magnétique externe, via des effets statiques liés à l’orientation de l’aimantation sous champ et via des effets dynamiques d’origine magnétoélastique liés à l’excitation acoustique. Nous avons examiné les réponses magnéto-acoustiques des différents dispositifs, en corrélation étroite avec les propriétés magnétiques statiques, en particulier l’anisotropie, la coercivité et l’hystérèse. Un modèle piézomagnétique équivalent a été utilisé pour simuler certaines de ces réponses. De manière générale, nous montrons qu’un choix judicieux du matériau magnétique et le contrôle de ses propriétés permettent d’élaborer des capteurs spécifiques : un matériau magnétique doux permet de contrôler l’anisotropie de la réponse acoustique via la forme des IDT; un matériau magnétique dur ouvre la voie au développement de capteurs de forts champs magnétiques; un système à anisotropie d’échange dont on peut contrôler la réversibilité de la réponse magnétique permet d’envisager un capteur de champ magnétique hors plan / The development of materials with different coupled ferroic orders (multiferroics) drives an intense research activity. A particularly interesting combination is the case where magnetic and electrical orders are simultaneously present, which, in the favorable case where these are coupled, opens the way to the electrical control of magnetization. This can be achieved in manipulating the polarization in a ferroelectric or the strains in a piezoelectric compound. Ferroelectric or piezoelectric properties can inversely be influenced by the magnetic state, an interesting feature for the development of magnetic field sensors. This work aims in the investigation of piezoelectric/magnetostrictive systems, more especially in the role of the magnetization and of the magnetization versus field behavior on the surface acoustic waves (SAW). Polycristalline Ni films, [Co/IrMn] multilayers and epitaxial TbFe2 films have been deposited on Lithium Niobate (LNO) substrates of different orientations. On LNO Z-cut, various single or double buffer layers have been used to achieve the TbFe2 epitaxial growth, along either [111] or [110] directions and with either perpendicular or in-plane magnetic anisotropy. On LNO 128Y and 41Y substrates, the growth is more complex but it is nevertheless possible to obtain crystalline multidomains TbFe2 films with 3D orientation relationships similar to those obtained on LNO Z-cut, both between the magnetic and the buffer layers, and between the buffer layer and the substrate. Magnetic surface acoustic wave (MSAW) devices have been patterned in a resonator geometry that enables an easy wireless interrogation. The MSAW device resonance frequency is sensitive to an external magnetic field, both via static effects related to the field-induced magnetization changes, and via magnetoelastic dynamic effects related to the acoustic excitation. We have investigated the MSAW magneto acoustic responses of the various devices in close connection with the static magnetic properties, especially the anisotropy, the coercivity and the hysteresis. An equivalent piezomagnetic model could support some of these observations. We show more generally that the proper choice of magnetic material and the control of the magnetic properties helps to build up specific sensors: soft magnetic materials enable to tailor the anisotropy of the MSAW response by engineering the IDT’s shape; hard magnetic materials enable to achieve high field unipolar or bipolar field response; exchange-biased systems in which the reversibility of the magnetic response is achieved let envision the development of sensors for out-of-plane magnetic fields

Notre étude à caractère pluridisciplinaire comprend l'élaboration de composés intermétalliques ainsi que la caractérisation de leurs propriétés tant structurales que magnétiques. Nos travaux ont porté sur des borures RT12B6 où R est un élément de terre rare ou l'yttrium et T un métal de transition 3d ainsi que des phases de Laves (Hf,Ta)Fe2. Pour appréhender les propriétés physiques de ces composés, nous avons mis en œuvre diverses variables externes (température, champ magnétique, pression) mais aussi internes telle que la pression chimique liée à la substitution d'un élément par un autre. Nous apportons une contribution à l'étude des propriétés magnétiques des composés RCo12B6. Les propriétés magnétiques de ces composés sont caractérisées à la fois par une température d'ordre qui varie peu avec l'élément de terre rare R et un moment magnétique de Co remarquablement faible. Nous montrons que les interactions d'échange R-Co sont de plus d'un ordre de grandeur plus faibles que les interactions Co-Co existant dans ces composés. La substitution du fer au cobalt dans les composés RCo12B6 est possible et donne lieu à une localisation préférentielle. Grâce à la spectroscopie Mössbauer et à la diffraction neutronique, nous avons démontré l'extrême sensibilité de l'orientation des moments magnétiques à la substitution Fe/Co. Le composé LaFe12B6 présente des propriétés magnétiques remarquables avec un état fondamental antiferromagnétique (AFM) et une transition vers un état ferromagnétique (FM) qui peut être induite par le champ appliqué ou par la température. A basse température la transition métamagnétique AFM-FM est accompagnée d'une hystérésis très large et est caractérisée par des sauts spectaculaires comme l'illustre nos mesures magnétiques, de magnétostriction ou de transport. La transition métamagnétique s'avère également fort sensible à la pression appliquée. Le composé intermétallique LaFe12B6 est caractérisé par une forte expansion thermique linéaire, un large effet magnétovolumique et présente à la fois des effets magnétocaloriques inverse et normal. L'effet de la substitution du cobalt ou du manganèse au fer ou du cérium au lanthane sur les propriétés structurales et magnétiques a été étudié de façon détaillée. La substitution Co/Fe ou Mn/Fe entraine dans les deux cas une forte augmentation du champ critique de la transition métamagnétique. Inversement la substitution Ce/La, quant à elle, réduit fortement le champ de transition. L'étude de l'alliage amorphe LaFe12B6, préparé par hypertrempe, montre des propriétés magnétiques radicalement différentes puisque la phase amorphe devient alors ferromagnétique avec une haute température de Curie. Enfin nous avons étudié les propriétés magnétiques intrinsèques du système intermétallique Hf1-xTaxFe2 pour lequel la solution solide est complète. L'analyse de l'ensemble des mesures a mis en lumière des comportements originaux du magnétisme du fer et ceci tant dans l'état ordonné que dans l'état paramagnétique. Le caractère inhabituel du magnétisme de ces composés est attribué au comportement d'électrons itinérants, lequel est à l'origine de la transition métamagnétique entre l'état AFM et l'état FM. / Our multidisciplinary study includes the synthesis of intermetallic compounds and the characterization of their structural and magnetic properties. Our work has focused on RT12B6 borides where R is a rare earth element or yttrium and T a 3d transition metal as well as (Hf, Ta)Fe2 Laves phases. In order to understand the physical properties of these compounds, we have implemented various external variables (temperature, magnetic field, pressure) as well as internal variables such as the chemical pressure due to the substitution of one element with another. Through this experimental work, we investigated the magnetic properties of RCo12B6 compounds. The magnetic properties of these compounds present both an ordering temperature which is quasi independent of the rare earth element R and a remarkably small magnetic moment of Co. We show that the R-Co exchange interactions are more than an order of magnitude smaller that the Co-Co occurring in these compounds. We demonstrated that the iron for cobalt substitution in RCo12B6 compounds gives rise to a preferential substitution scheme. Combining Mössbauer spectroscopy and neutron diffraction, we have found that the magnetic ordering direction is extremely sensitive to Fe/Co substitution. LaFe12B6 compound presents remarkable magnetic properties with an antiferromagnetic (AFM) ground state but it can be transformed into a ferromagnetic (FM) state by the applied magnetic field or by the temperature. At low temperature, the field-induced AFM-FM metamagnetic transition has a large hysteresis and exhibits ultra sharp jumps as shown in our magnetic, magnetostriction and transport measurements. The metamagnetic transition is also very sensitive to the applied pressure. LaFe12B6 intermetallic compound shows a large linear thermal expansion, a huge volume magnetostriction and both normal and inverse magnetocaloric effects. The effect of cobalt or manganese for iron substitution or cerium for lanthanum substitution on the structural and magnetic properties was deeply investigated. Co/Fe or Mn/Fe substitution in both cases leads to a strong increase of the critical field of the metamagnetic transition. However Ce/La substitution reduces strongly the transition field. The investigation of LaFe12B6 amorphous alloy, prepared by melt spinning, shows radically different magnetic properties since the amorphous phase becomes ferromagnetic with a high Curie temperature. Finally we studied the intrinsic magnetic properties of the Hf1-xTaxFe2 system for which the solid solution is complete. The analysis of all the measurements highlighted original behaviours of the iron magnetism and this both in the ordered state and in the paramagnetic state. These remarkable properties are attributed to the itinerant character of the Fe 3d band magnetism, which gives rise to the metamagnetic transition between the AFM and FM states.

Avec l’avènement du laser femtoseconde il est devenu possible de mesurer comment la démagnétisation femtoseconde peut permettre de sonder l’interaction d’échange dans les métaux ferromagnétiques. La démagnétisation induite par laser d’un matériau avec un fort couplage magnéto-élastique amène à la relaxation des contraintes mécaniques, générant ainsi des ondes acoustiques longitudinales (L) et transversales (T). Dans ce travail de thèse, la génération d’impulsions acoustiques picosecondes T par le mécanisme de démagnétostriction dans des matériaux fortement magnétostrictifs est traitée analytiquement et montrée expérimentalement dans le cas d’un alliage de Terfenol. En premier lieu, nous avons développé un modèle phénoménologique de magnétostriction directe dans un film monocristallin de Terfenol. Les expériences pompe-sonde linéaire MOKE résolues en temps montrent que la relaxation transitoire des contraintes magnéto-élastiques du film amène à l’excitation d’ondes GHz acoustiques L at T. Ces résultats sont la première observation expérimentale de l’excitation d’ondes acoustiques transversales picoseconde par mécanisme de démagnétostriction induit par laser. En second lieu, nous avons analysé le processus d’interaction d’ondes acoustiques L avec l’aimantation d’un film mince de Terfenol. L’onde acoustique picoseconde produit un changement de magnétisation du film et induit la conversion de modes acoustiques. C’est une autre voie de génération d’ondes acoustiques T que nous avons mis en évidence. La gamme de fréquence des impulsions générées est liée à l’échelle de temps de démagnétisation, qui corresponds à quelques centaines de GHz - 1 THz. / With the advent of femtosecond lasers it became possible to measure how femtosecond optical demagnetization can probe the exchange interaction in ferromagnetic metals. Laser-induced demagnetization of materials with strong magneto-elastic coupling should lead to the release of its build-in strains, thus to the generation of both longitudinal (L) and shear (S) acoustic waves. In this thesis, generation of shear picosecond acoustic pulses in strongly magnetostrictive materials such as Terfenol is processed analytically and shown experimentally. In case of Terfenol with strong magneto-crystalline anisotropy, laser induced demagnetostriction is responsible for S excitation. First, the phenomenological model of direct magnetostriction in a Terfenol monocrystalline film is developed. The shear strain generation efficiency strongly depends on the orientation of the film magnetization. Time-resolved linear MOKE pump-probe experiments show that transient laser-induced release of the magnetoelastic strains lead to the excitation of GHz L and S acoustic waves. These results are the first experimental observation of picosecond shear acoustic wave excitation by laser-induced demagnetostriction mechanism. Second, the interaction of an optically generated L acoustic pulse with the magnetization of a Terfenol thin film is reported. Arrival of the picosecond strain wave alters a change of its magnetization and leads to acoustic mode conversion, which is another pathway of shear acoustic wave generation. The frequency bandwidth of the generated acoustic pulses matches the demagnetization timescale and lies in the range of several hundreds of GHz, close to 1 THz.