Cette thèse contribue à l'étude des aimants à effet ressort, connu sous le nom de "Exchange Spring Magnets" (ESM). Nous avons divisé nos travaux en deux parties : une première dite expérimentale et une seconde dite théorique. Dans la première partie, nous avons étudié la synthèse de ESM. Le processus de fabrication débute par le mélange des nano-poudres magnétiques dures et douces. Cette étape a été réalisé par broyage mécanique ainsi que par ultrasons. Les mélanges sont ensuite frittés via la technique de frittage par plasma d'arc (Spark Plasma Sintering (SPS)) afin d'obtenir des aimants massifs. La structure ainsi que les propriétés magnétiques de ces aimants sont étudiées. Les structures obtenues présentent des phases intermédiaires ainsi qu'une réduction de la phase magnétique dure. Nous avons trouvé que ces aimants ont des cycles magnétiques à deux phases indiquant un couplage faible entre les phases précurseurs. De plus, les aimants obtenus à partir du mélange à ultrasons possèdent des meilleurs propriétés magnétiques que ceux obtenus par broyages mécanique ainsi qu'une plus grande capacité à obtenir un meilleur couplage. Dans la seconde partie, nous avons étudié l'utilité des ESM pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire. Il a été montré qu'en y appliquant un faible champ micro-onde , l'ESM présente un basculement facilité ainsi qu'une meilleur stabilité thermique, ce qui est désirable pour l'enregistrement magnétique. Nous avons étudié les dynamiques non-linéaires de basculement magnétique dans un ESM perpendiculaire en utilisant l'équation de Landau-Lifshitz. A partir d'un nouveau code FORTRAN basé sur la méthode des différences finies, nous avons étudié les solutions numériques de cette équation. Le système bi-couche présente des solutions stables nommés modes-P globaux et une diminution du champ nécessaire au basculement pour une grande gamme de fréquence. Le profil de la magnétisation dans le système étendu à été étudié numériquement. L'étude analytique des dynamiques est commentée en faisant l'approximation que deux modes-P sont couplés par un champ d'interaction. L'"ansatz" utilisé pour décrire le champ d'interaction est validé par comparaison avec les résultats numériques. Cette approche s'est révélée être équivalente à l'étude de deux macro-spins couplés. / This thesis is divided into two parts, experimental part presenting the synthesis of exchange spring magnets and theoretical part showing the magnetization dynamics of exchange spring magnets. For the synthesis, ferrite and metal alloy based magnets using mechanical milling and ultrasonic mixing are studied. This part discusses the difficulty in controlling the microstructure during synthesis. Several samples with varying volume fractions of the soft phase are synthesized. It is found that mechanical milling initiates a reaction and this leads to disintegration of the ferrite phase into its intermediate phases. Samples prepared using ultrasonic mixing however show presence of the ferrite phase up to very large volume fraction of the soft alloy phase which provides better perspective for the synthesis. Dynamics of the exchange spring system is studied theoretically using micromagnetic theory. Microwave assisted magnetization reversal are studied in the bulk bilayer exchange coupled system. We investigate the nonlinear magnetization reversal dynamics in a perpendicular exchange spring media using the Landau-Lifshitz equation. In the limit of the infinite thickness of the system, the propagation field leads the reversal of the system. The reduction of the switching field and the magnetization profile in the extended system are studied numerically. The possibility to study the dynamics analytically is discussed and an approximation where two P-modes are coupled by an interaction field is presented. The ansatz used for the interaction field is validated by comparison with the numerical results. This approach is shown to be equivalent to two exchange coupled macrospins.

Dans les dispositifs actuels de sauvegarde de données, les bits d'informations sont stockées sous la forme de paroi de domaines dans une couche mince, voire des media "patternés". Le support reste donc 2D. De nos jours, la densité de stockage tend vers une valeur maximale qu'il est difficile de dépasser pour des raisons fondamentales et technologiques. Ainsi, récemment des efforts ont été réalisés pour développer des dispositifs 3D qui allient la polyvalence de la mémoire RAM solide avec un coût comparable à celui des disques durs actuels.Un nouveau concept théorique particulièrement intéressant pour une mémoire magnétique en 3D a été proposé en 2004 par S. Parkin et al.. Cette mémoire de type registre à décalage est constituée d'un réseau de nanofils magnétiques verticaux avec une section transversale cylindrique ou bien rectangulaire. Dans ce nouveau type de mémoire, les bits sont codés sous forme d'une série de parois de domaine. Cette dernière peut être déplacée vers une tête de lecture intégrée par des impulsions de courant polarisé en spin de quelques nanosecondes.Les parois de domaines magnétiques dans des nanofils cylindriques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique en raison de leur application possible dans un dispositif fonctionnel ainsi qu'en raison de nouvelles propriétés intéressantes qui résultent du confinement géométrique des parois. A ce jour, seules quelques études expérimentales sur de telles parois de domaines existent. Elles ont mis en évidence la difficulté de maîtriser la propagation de parois dues à des forts effets de piégeage. Jusqu'à présent, l'origine microscopique de ce piégeage n'a été que partiellement comprise. On s'attend à ce qu’indépendamment de la qualité géométrique du fil, la microstructure du matériau puisse jouer un rôle non négligeable.Dans le cadre du projet européen FP7 m3D, l'objectif de mon travail de thèse a été d'étudier la propagation des parois de domaine dans des nanofils cylindriques avec des modulations de diamètre. L'énergie de ces parois de domaine augmentant avec le diamètre du fil, on s'attend à ce que des excroissances (ou des constrictions) agissent comme des barrières d'énergie artificielles (respectivement puits). Par conséquent, une propagation de paroi de domaine contrôlée via la géométrie du fil semble possible.La première partie de mon travail concerne l'optimisation des matériaux. Des fils d'un alliage de NiCo (diamètre de 100-200nm et longueur de plusieurs dizaines de micromètres) avec deux géométries distinctes ont été fabriqués par électrodéposition en collaboration avec le groupe du Prof. J. Bachmann à l' Université d'Erlangen. Pour chaque géométrie, j'ai exploré l'effet de la composition de l'alliage ainsi que d'un recuit sur la microstructure du matériau. Par la suite, la propagation des parois de domaine dans des nanofils individuels a été étudiée sous l'influence d'un champ magnétique quasi-statique ou d'une impulsion de champ magnétique avec une durée d'impulsion de l'ordre de la nanoseconde. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai effectué des simulations micromagnétiques complémentaires pour étudier l'effet de la géométrie des modulations sur le piégeage de ces parois de domaine magnétiques. / In all current data storage devices, the information bits are stored in form of domain walls in a thin film or in patterned media on a two-dimensional surface . Within the next decade, further increase of the storage density in these devices is expected to come to a halt due to several fundamental and technological issues. Thus there have recently been efforts to develop three-dimensional devices combining the versatility of solid state RAM with the cost efficiency of common hard disk drives.A particularly interesting theoretical concept for a three-dimensional magnetic memory has been proposed in 2004 by S. Parkin et al. . Their racetrack memory consists of a vertical array of magnetic nanowires with either cylindrical or rectangular cross section. The bits are encoded in a series of up to 100 domain walls per wire. Using nanosecond spin polarized current pulses these walls are shifted past an integrated read head.Magnetic domain walls in cylindrical nanowires have raised the interest of the scientific community due to their possible application in a functional device as well as due to exciting new properties which arise from the geometric confinement. Up to date, only a few pioneering experimental studies on such domain walls exist. They indicate strong pinning effects preventing a deterministic domain wall propagation. So far the microscopic origin of this pinning has only partially been understood. It is expected however that beside the wire geometry the material microstructure may play a considerable role.Situated within the framework of the European FP 7 project m3D, the objective of my work has been to investigate the domain wall propagation in cylindrical nanowires with diameter modulations by means of magnetic force microscopy and micromagnetic simulation. As the domain wall energy increases with the wire diameter, protrusions (resp. notches) are expected to act as an artificial energy barrier (resp. well). Consequently, a deterministic domain wall propagation controlled via the wire geometry seems possible.A first part of my work concerns material optimization. For this, NiCo alloy wires (100-200nm diameter and multiple tens of micrometers in length) with two distinct geometries have been fabricated by template assisted electrodeposition (Chemist collaborators at Univ. Erlangen, Prof. J.Bachmann). I have then explored the impact of the alloy composition as well as of possible post-fabrication annealing on the material microstructure. Subsequently, domain wall propagation in individual nanowires has been investigated under the influence of either a quasistatic magnetic field or a nanosecond magnetic field pulse. In addition I have performed complementary micromagnetic simulations to study the effect of the modulation geometry on the domain wall pinning.

L'objectif principal de cette thèse est d'établir un lien quantitatif entre un désaccord paramétrique ou un paramètre de maille différent du massif d'une part, et un comportement de croissance ou une propriété magnétique d'autre part. Une méthode originale est développée afin de fabriquer des couches tampon à paramètre cristallin ajustable et d'énergie de surface contrôlable indépendamment. Ce développement est ensuite mis à profit pour étudier les effets du désaccord paramétrique et de l'interface chimique sur la croissance de bandes de Fe auto-organisées épaisses. Des bandes auto-organisées de Fe d'épaisseur jusqu'à<br />cinq nanomètres ont pu être élaborées, ce qui contraste avec les résultats de la littérature (un ou deux plans atomiques). Cette épaisseur inhabituellement élevée nous a permis d'obtenir rémanence, coercitivité, et/ou subdivision en domaines<br />magnétiques stables à température ambiante. Les domaines magnétiques ont été mis en évidence par dichroïsme magnétique circulaire des rayon X. Enfin nous avons développé un modèle micromagnétique analytique du renversement d'aimantation dans une nanostructure ultramince, qui pourra être appliqué à certaines des nouvelles structures élaborées au cours de cette thèse.

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.