Dans une première partie, nous avons élaboré des couches épitaxiées de cobalt d'épaisseur variant de 10 à 500 nm et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons optimisé leur croissance pour obtenir du cobalt dans sa phase cristalline hexagonale (0001) car elle présente la plus forte anisotropie magnétocristalline perpendiculaire. Puis, nous avons montré que l'aimantation de ces couches passe d'une configuration en domaines d'aimantation planaire à perpendiculaire lorsque l'épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Pour des épaisseurs supérieures à 50 nm, la structure en domaines est alors composée de bulles, de bandes ou d'un labyrinthe selon l'histoire magnétique. La topologie des domaines est indépendante de leur épaisseur tandis que leur largeur varie entre 50 et 200 nm comme la racine carrée de l'épaisseur. Puis, nous avons montré que ces couches de cobalt étaient de très bons candidats pour l'étude de la magnétorésistance et résonance de paroi. Dans une seconde partie, nous avons élaboré des réseaux de 5x5 mm2 de plots de 0.5 µm de côté à partir de ces couches et étudié leurs propriétés structurales et magnétiques. Nous avons montré que la réorientation de l'aimantation en fonction de l'épaisseur est conservée pour les mêmes épaisseurs et que la nanostructuration avait un effet sur la structure en domaines. Pour les plus fortes épaisseurs, la taille des domaines est de l'ordre de grandeur de celle des plots entraînant la contrainte de la composante perpendiculaire d'aimantation. Pour les plots de 25 nm d'épaisseur, la contrainte géométrique de la composante planaire d'aimantation permet de stabiliser une structure vortex en anneaux concentriques. La courbe d'aimantation mesurée sur cet échantillon présente un saut d'aimantation attribué à la disparition de domaines de la structure vortex. Nous avons pu mettre en évidence la réorientation de l'aimantation dans chaque domaine en fonction de la température transformant le vortex en domaines à aimantation perpendiculaire.

L'effet tunnel dépendant du spin dans une structure métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique, composant une jonction tunnel magnétique, connaît ces dernières années un regain d'intérêt avec sa mise en évidence à température ambiante et avec ses multiples applications potentielles pour l'élaboration de nouveaux dispositifs micro-électroniques (mémoires non-volatiles, capteurs magnéto-résistifs, etc). Dans une jonction tunnel magnétique la transmission par effet tunnel des électrons, polarisés par les électrodes magnétiques, dépend de l'orientation relative des aimantations des électrodes et des caractéristiques de la barrière isolante. La résistance d'une jonction tunnel magnétique varie de plus de 20% en modifiant de manière sélective l'orientation de l'aimantation d'une électrode par rapport à l'autre, en appliquant un champ. Pour cela, une architecture appelée douce-dure est utilisée. Elle repose sur l'association d'une couche magnétique dure et d'une couche magnétique douce comme électrodes magnétiques de la jonction tunnel. Un aspect novateur de ce travail de thèse repose sur l'utilisation d'un système antiferromagnétique artificiel comme système magnétique dur. Ce système, constitué de deux couches magnétiques (Co et/ou CoFe) d'épaisseurs différentes, ayant leurs aimantations arrangées antiparallèles par couplage à travers une couche non magnétique (Ru), permet d'obtenir une grande rigidité magnétique, ajustable, avec une grande stabilité thermique (>300°C). Ce travail de thèse nous a amené à élaborer des jonctions tunnel magnétiques de taille micronique et à étudier la corrélation entre leurs propriétés magnétiques et leurs propriétés de transport polarisé en spin à des échelles macroscopiques et microscopiques. Il s'est avéré que, grâce à la sensibilité extrême du transport par effet tunnel polarisé en spin aux fluctuations de l'aimantation aux interfaces métal ferromagnétique/isolant, les jonctions magnétorésistives sont des systèmes idéaux pour étudier sélectivement l'évolution de la structure en domaines des couches ferromagnétiques en contact avec la couche isolante en fonction du champ magnétique appliqué.

Nous avons étudié l'anisotropie magnétique perpendiculaire résultant de la mise en ordre chimique de type L10, dans des couches minces d'alliage FePd élaborées en Epitaxie par Jets Moléculaires. Différentes procédures d'élaboration ont été mises en oeuvre : - la codéposition à température ambiante, éventuellement suivie d'un recuit ; - la codéposition à 350°C ; - le dépôt alterné de couches atomiques Fe et Pd, contrôlé par le temps de dépôt ou par les oscillations RHEED. La structure des alliages a été étudiée par Microscopie Electronique en Transmission. Nous avons caractérisé l'ordre à longue distance (OLD) par diffraction des rayons X, et l'ordre à courte distance directionnel (OCDD) par spectroscopie EXAFS. L'anisotropie magnétique uniaxiale a été évaluée à partir de mesures de magnétométrie (VSM). Nous montrons que l'OLD et l'OCDD, de même que l'anisotropie magnétique, dépendent fortement des conditions de dépôt. Le degré d'ordre chimique le plus élevé est obtenu par la codéposition de l'alliage à 350°C : dans ce cas, l'aimantation est orientée suivant la direction perpendiculaire au plan des couches minces et l'étude par Microscopie à Force Magnétique révèle la présence de domaines magnétiques, dont la taille latérale est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres. L'anisotropie magnétique résultant du dépôt alterné de couches atomiques est plus faible : pour les faibles épaisseurs, l'aimantation est dans le plan de la couche et au delà d'une épaisseur critique, elle sort du plan, faisant apparaître une configuration en rubans. Nous avons interprété, par des modèles analytiques de micromagnétisme, l'évolution de la susceptibilité en champ perpendiculaire, ainsi que celle de la taille des domaines et des rubans, en fonction de l'épaisseur des couches minces. Nous avons également réalisé des expériences de spectroscopie Mössbauer et spectroscopie Kerr polaire : nous montrons que ces deux signaux sont très sensibles au degré d'ordre des alliages.

Dans cette thèse, je présente une étude de nanostructures magnétiques par la diffusion résonante<br />des rayons X mous. Les échantillons étudiés sont des empilements de couches minces<br />épitaxiées d'alliages de FePd et des multicouches de Co/Pt déposées sur des substrats de Silicium<br />nanostructurés. Dans une première partie, les échantillons sont présentés et caractérisés par des<br />techniques conventionnelles de laboratoire, ainsi que par des mesures de neutrons. En outre, une<br />modélisation micromagnétique est décrite. Dans une deuxième partie, la diffusion des rayons X<br />mous par les couches de FePd est mesurée au seuil L3 du Fer et modélisée afin de tirer des informations<br />sur la configuration magnétique périodique des échantillons. Dans une troisième partie,<br />j'utilise un faisceau cohérent de rayons X mous afin de caractériser en détail la configuration<br />magnétique d'échantillons modèles. A cette fin, un dispositif instrumental est développé et une<br />méthodologie est décrite pour le comptage des photons sur une camera CCD. Un algorithme de<br />Monte-Carlo est proposé et discuté en vue de reconstruire la configuration magnétique exacte<br />d'un réseau de nanolignes à aimantation perpendiculaire.

Au cours de ces travaux de thèse, nous avons étudié par microscopie magnétique à émission d'électrons balistiques (BEMM) les propriétés de magnétotransport d'électrons chauds de la vanne de spin Fe/Au/Fe épitaxiée sur GaAs(001). Dans ces expériences, la pointe d'un microscope à effet tunnel (STM) injecte localement un courant d'électrons chauds à la surface de la vanne de spin. La mesure sous champ magnétique du courant d'électrons balistiques collecté à l'arrière de l'échantillon donne accès aux propriétés locales de magnétoconductance de l'échantillon. Nous avons dans un premier temps étudié les propriétés de magnétotransport de vannes de spin planaires. Les mesures BEMM démontrent un magnétocourant d'électrons chauds pouvant atteindre 500 % à température ambiante. Ces forts effets de magnétoconductance ne sont que très faiblement dépendants des épaisseurs des électrodes de fer et ne peuvent donc être dus à l'asymétrie en spin de la longueur d'atténuation des électrons chauds dans les couches de fer. Dans cette structure épitaxiée, la polarisation en spin du faisceau d'électrons chauds s'acquiert principalement aux interfaces via des effets de structure électronique. L'électron traversant les couches minces métalliques se propage comme un état de Bloch. Sa transmission aux différentes interfaces se fait en conservant d'une part la composante transverse k║ du vecteur d'onde électronique, et d'autre part, la symétrie de la fonction d'onde. Au-dessus de la barrière Schottky, les électrons chauds sont collectés dans la vallée Г du GaAs se projetant à l'interface dans la direction k║=0. Dans cette direction k║=0, la conservation de la symétrie de la fonction d'onde à l'interface Fe/Au conduit au filtrage des états de Bloch de symétrie Δ1 du fer. Ces états de symétrie Δ1, totalement polarisés en spin, sont responsables des forts magnétocourants d'électrons chauds observés. Cette analyse est confirmée expérimentalement par l'observation d'une corrélation entre amplitude du magnétocourant et masse effective du substrat semiconducteur. En augmentant la masse effective du semiconducteur, on ouvre le collimateur filtrant le courant d'électrons chauds autour de la direction k║=0, et le magnétocourant diminue sans modifier la vanne de spin. Dans un second temps, tirant partie de la résolution latérale du microscope et de sa sensibilité au magnétisme, des microstructures de fer préparées sous ultra-vide par évaporation à travers un masque (méthode du nanostencil) ont été étudiées. Dans ces structures, la modulation du courant collecté par la structure locale en domaines magnétiques a permis la réalisation d'images magnétiques avec une haute résolution spatiale. Les contrastes observés sur ces microstructures sont en excellent accord avec les images BEMM calculées à partir de simulations micromagnétiques ouvrant la voie à une microscopie magnétique quantitative à forte sensibilité et résolution latérale nanométrique.

Cette thèse explore les domaines magnétiques et les parois de domaine (PD), dans des nanotubes (NTs) métalliques ferromagnétiques individuels (diamètres 50-400 nm) au moyen de microscopies magnétiques et de modélisation numérique. Le travail a bénéficié d’une collaboration internationale avec TU Darmstadt (synthèse), les synchrotrons Elettra et Soleil ainsi que CNRS CEMES (imagerie magnétique). En utilisant des méthodes électrochimiques et des gabarits nanoporeux, nous avons fabriqué des NTs de Ni, NiCo, CoNiB et NiFeB ainsi que des éléments fil-tube de Ni. Pour l’imagerie, nous utilisons principalement le dichroïsme circulaire magnétique de rayons X associé à la microscopie à emission de photoelectrons (XMCD-PEEM). Nous avons réalisé les premières images microscopiques de domaines magnétiques dans les NTs. Dans des tubes CoNiB longs (30µm), nous avons observé un grand nombre de domaines azimutaux séparés par des PD très étroites. Cela contraste avec la littérature et les expériences récentes où seuls des domaines axiaux apparaissent pour une géométrie similaire. Par recuit, en changeant la composition chimique ou simplement en diminuant le diamètre des NTs, nous avons également pu obtenir les domaines axiaux – préparation des domaines presque à la carte. Nous avons démontré le renversement des domaines axiaux et azimutaux avec un champ magnétique. En vue d’ouvrir la voie à des tubes multicouches - un équivalent de films plats multicouches qui forment une brique basique de spintronique actuelle, nous avons obtenu deux couches magnétiques découplées par un intercalaire d’oxyde. Ces structures et leurs imagerie ouvrent la voie à la spintronique 3D basée sur des réseaux de tubes verticaux. / This thesis explores magnetic configurations, namely magnetic domains and domain walls (DWs) in single ferromagnetic metallic nanotubes (diameters 50–400nm) by means of magnetic microscopies and numerical modelling. The work benefited from international collaboration with TU Darmstadt (synthesis), synchrotrons Elettra and Soleil as well as CNRS CEMES (magnetic imaging). Using electrochemical methods and nanoporous templates, we could fabricate Ni, NiCo, CoNiB, and NiFeB nanotubes as well as Ni wire-tube elements. For the imaging, we relied mainly on X-ray Magnetic Circular Dichroism coupled with PhotoEmission Electron Microscopy (XMCD-PEEM). We show the first experimental microscopy images of magnetic domains in metallic nanotubes. In long (30µm) CoNiB tubes, we observed many azimuthal (flux-closure) magnetic domains separated by very narrow DWs. This is in contrast with literature and recent experiments where only axial domains appeared for similar geometry. By annealing, changing the chemical composition or just decreasing the nanotube diameter we could obtain also the axial domains. Therefore, tubes are versatile as magnetic domains can be prepared almost à la carte. We demonstrated switching of both axial and azimuthal domains with a magnetic field. We imaged also multilayered tubes – an equivalent of multilayered flat films that form a basic brick of current spintronics. We obtained two magnetic layers (exchange-) decoupled by an oxide spacer. Such a first-of-its-kind structure and its imaging paves the way towards 3D spintronics and magnetism based on vertical arrays of tubes.

L'effet tunnel dépendant du spin dans les structures métal ferromagnétique/isolant/métal ferromagnétique fait l'objet de nombreuses études motivées par de multiples applications (capteurs de champ magnétique, mémoires vives magnétiques non volatiles, têtes de lecture, etc). La résistance de ces dispositifs est liée à l'orientation relative des aimantations de chacune des électrodes. Au cours de ce travail de thèse, l'extrême sensibilité de l'effet tunnel dépendant du spin à la configuration magnétique des électrodes a été utilisée à la fois comme une sonde du comportement micromagnétique des électrodes et pour réaliser des capteurs de champ magnétique. De plus, l'élaboration de doubles jonctions tunnel magnétiques à trois entrées a permis mettre en évidence la présence d'un courant d'électrons chauds qui pourrait être à la base d'un nouveau type de transistor magnétique.

Les travaux présentés sont à la frontière entre sciences des surfaces et matériaux magnétiques. L'objectif est de tirer parti de procédés classiques d'épitaxie, notamment l'auto-organisation, pour fabriquer des nanostructures intéressantes pour le magnétisme. ·Pour la recherche fondamentale : des processus, tels que le renversement d'aimantation, existant dans tous les matériaux réels mais ne pouvant y être analysés du fait de leur complexité, sont étudiés dans des systèmes modèles. ·L'intégration d'éléments magnétiques auto-organisés dans des dispositifs n'est actuellement pas envisageable, car ces nanostructures sont non magnétiques du fait de leur très faible épaisseur. Deux procédés ont été développés pour obtenir une plus forte épaisseur (plusieurs nanomètres), et donc des structures fonctionnelles à 300K.

Au cours de ce travail de thèse, nous avons effectué les premières mesures de l'aimantation d'une seule particule ferromagnétique à basse température (0.1 - 6 K) à l'aide de SQUID hystérétiques continus extrêmement performants : la sensibilité de nos mesures est de 10^4 µB. Nous avons étudié des systèmes multiples et variés, tout d'abord des particules faites par lithographie électronique de forme elliptiques et de dimensions supérieures à 50 nm, mais aussi des fils magnétiques et des agrégats. <br /> En ce qui concerne les particules élaborées par lithographie électronique, les plus petites ont montré que la variation du champ de retournement en fonction de l'angle est en accord qualitatif avec le modèle de rotation uniforme de Stoner Wohlfarth. Cependant le déclenchement du retournement de l'aimantation s'effectue par un processus de nucléation. Les études de la dynamique de retournement de l'aimantation faites sur ces particules et les fils magnétiques ont montré que le retournement de l'aimantation est activé thermiquement et peut être approximativement décrit par le modèle de Kurkijärvi pour les températures comprises entre 1 et 6 K. En dessous de 1 K, ce modèle est mis en défaut ce qui pourrait être expliqué par un effet quantique. En ce qui concerne la probabilité de retournement de l'aimantation nous avons trouvé pour les plus petites particules que cette probabilité est proche d'une exponentielle. Cependant il existe de nouveau une déviation à plus basse température, probablement de même origine que la déviation observée sur le modèle de Kurkijärvi. Enfin, la largeur de la distribution des champs de retournement augment à basse température. Ceci est sans doute dû à l'existence de défauts (rugosité de surface, défauts cristallins, impuretés, etc.) qui créent de multiples vallées et cols sur la surface d'énergie potentielle décrivant le système, ceux-ci étant en fait révélés lorsque l'énergie thermique est du même ordre de grandeur ou inférieure à ces fluctuations de la surface d'énergie.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de l'électronique de spin et traite plus particulièrement de l'interaction réciproque entre un courant polarisé en spin et l'aimantation des structures magnétiques. Au cours de ce travail, les équations du transport diffusif dépendant du spin ont été couplées de façon auto-cohérente à l'équation de la dynamique d'aimantation dans l'approche micromagnétique au sein du code éléments finis. Cet outil numérique est appliqué à l'étude de la dynamique de parois de domaines dans différentes géométries sous l'action d'un courant polarisé. Il a permis de mettre en évidence plusieurs nouveaux phénomènes liés à l'interaction mutuelle entre l'aimantation et les spins des électrons. Pour des rubans à section rectangulaire, l'impact de cette interaction, habituellement négligée dans les modèles simplifiés, est quantifié via le calcul de la vitesse de déplacement de parois et du courant critique de Walker. Ces paramètres ont été étudiés en fonction de la largeur de paroi, du courant appliqué et des longueurs caractéristiques du transport polarisé en spin. L'augmentation du paramètre de non-adiabaticité du système, liée à l'augmentation du gradient d'aimantation ainsi qu'à une forte non-localité du modèle couplé, a été démontrée. Pour des fils à section circulaire et à diamètre modulable, une contribution supplémentaire à la non-adiabaticité du système liée, à la géométrie confinée, a été mise en évidence. Puis, les différents régimes dynamiques ainsi que les conditions de dépiégage de la paroi ont été caractérisés en fonction de la taille de constrictions. / In the context of spintronics this thesis studies the mutual interaction between a spin polarised current and the magnetization of magnetic structures. During this work, the diffusive spin transport equations were coupled in a self-consistent manner with the magnetization dynamics equations in the micromagnetic approach in our homemade finite element code. This numerical tool applied to the study of domain walls dynamics in different geometries under the action of spin polarized current highlighted several new phenomena related to the mutual interaction between the magnetization and the spins of electrons. For rectangular cross section stripes, the impact of this interaction, usually neglected in simplified models, is quantified by the computation of the domain wall velocity and the Walker critical current. These quantities were studied as a function of the domain wall width, the applied current, and the spin polarised transport characteristic lengths. Increasing the non-adiabatic parameter of the system related to the increase in the magnetization gradient and a strong non-locality of the coupled model was demonstrated. For circular cross section wires with a modulated diameter, an additional contribution to the non-adiabaticity of the system related to the confined geometry is highlighted. Then the different dynamic regimes and domain wall unpinning conditions are characterised according to the constriction size.