Élaboration et étude des propriétés physiques de couches minces monocristallines d'alliage de Heusler à faible amortissement magnétique pour composants hyperfréquences
Institution:
Toulouse 3Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis fits in the framework of magnetic materials for microwave applications. The magnetic materials most commonly used in microwave devices are ferrites, especially garnets, which have a very low magnetic damping (about 0. 0001). The needs of miniaturization in current technologies bring some problems related to the integration of ferrites in microwave components. Theses materials, containing iron oxides, generally require very high deposition temperatures that may damage other parts within a same circuit. One solution lies in the use of ferromagnetic materials, which can be deposited at moderate temperatures. However, this type of material usually has high damping factors making them incompatible with the characteristics desired in microwave components. In this context, the Heusler alloys are particularly attractive. Indeed, the latter have high magnetizations and Curie temperatures, and ab initio calculations predict extremely low damping factors. The first step of this work was to develop a Ferromagnetic Resonance setup capable of studying materials in the microwave domain. This step was followed by the preparation of epitaxial thin film of Co2MnSi, by sputtering deposition, on MgO (001) and MgO/Cr (001) substrates. A thorough structural study (RHEED, X-ray diffraction, transmission electron microscopy) allowed verifying the high crystalline quality of samples. Their magnetic properties were studied by static and dynamic techniques in order to provide a complete characterization of their magnetic parameters as a function of thickness: saturation magnetization, exchange constant, damping factor, gyromagnetic ratio, anisotropy constants. The samples studied show low magnetic damping factors ranging between 0. 002 and 0. 007. The magnetic parameters (magnetocrystalline anisotropy, gyromagnetic factor) are strongly modified with the implementation of a Cr buffer layer. This suggests that the magnetic properties of Heusler alloys thin films are closely related to strains at interfaces. This work shows that Co2MnSi could constitute a building bloc for the realization of microwave components. The buffer layer engineering is set to be a key to making these alloys compatible with the needs of current technologies. This work should make possible the study of more complex systems such as magnonic crystals based on Heusler alloys.
Abstract FR:
Cette thèse s'inscrit dans le domaine des matériaux magnétiques pour les hyperfréquences. Les matériaux magnétiques les plus utilisés dans des dispositifs hyperfréquences sont des ferrites, en particulier les grenats qui ont un très faible amortissement magnétique (de l'ordre de 0,0001). La course à la miniaturisation dans les technologies actuelles, pose certains problèmes liés à l'intégration de ferrites dans les composants hyperfréquences. Ces matériaux, à base d'oxyde de fer, nécessitent généralement des températures de dépôt très élevées qui risquent d'endommager d'autres parties au sein d'un même circuit. Une solution réside dans l'utilisation de matériaux ferromagnétiques qui peuvent être déposés à des températures modérées. Cependant, ce type de matériaux présente habituellement des facteurs d'amortissement élevés les rendant ainsi peu compatibles avec les caractéristiques recherchés pour des composants hyperfréquences. Dans ce contexte, les alliages Heusler apparaissent particulièrement attrayants. En effet, ces derniers présentent une aimantation et une température de Curie élevées, et des calculs ab initio prédisent des facteurs d'amortissement extrêmement faibles. La première étape de ce travail a consisté à mettre au point un banc de résonance ferromagnétique capable d'étudier des matériaux dans le domaine hyperfréquence. Cette étape s'est suivie de l'élaboration de couches minces épitaxiales de Co2MnSi par pulvérisation cathodique sur substrat MgO (001) et MgO/Cr (001). Une étude structurale poussée (RHEED, diffraction X, microscopie électronique en transmission) a permis de vérifier la bonne qualité cristalline des couches. Leurs propriétés magnétiques ont été étudiées par des techniques statiques et dynamiques afin d'obtenir une caractérisation complète de leurs paramètres magnétiques en fonction de l'épaisseur du matériau : aimantation à saturation, constante d'échange, amortissement, facteur gyromagnétique, constantes d'anisotropie. L'obtention de ces paramètres a été assistée par une modélisation reposant sur des outils numériques développés pendant la thèse. Les échantillons étudiés présentent des faibles amortissements magnétiques compris entre 0,002 et 0,007. Les paramètres magnétiques (anisotropie magnétocristalline, facteur gyromagnétique) sont fortement modifiés avec l'implémentation d'une couche tampon de Cr. Cela suggère que les propriétés magnétiques dans les alliages Heusler, sous forme de couches minces, sont étroitement liées aux contraintes dans les interfaces. Ce travail de thèse est une première étape qui a montré que le Co2MnSi pourrait constituer une brique élémentaire pour la réalisation de composants hyperfréquences. L'ingénierie de la couche tampon s'annonce comme une clé pour rendre ces alliages compatibles avec les besoins des technologies actuelles. Cette thèse permettra, par la suite, d'étudier des systèmes plus complexes tels les cristaux magnoniques à base d'alliages Heusler.