Fabrication of Arrays of Ferromagnetic Multilayer Nanowires in Alumina Templates and Modelling the Magnetic Anisotropy Using Effective Field Model

Arrays of magnetic nanowires have gained significant interest for a broad range of applications, including high density magnetic storage media, magnonic cristals and magneto-resistive sensors. Basic requirements for successful commercial deployments are ease of manufacturing, low cost, reproductibility and superior magnetic properties such as coercivity, anisotropy and thermal stability. In previous studies, an effective field model based on a pure mean field approach was developed to describe the magnetic anisotropy of a system of arrays of magnetic nanowires. However, this model was not in agreement with experiment due to over simplification of dipolar interaction between magnetic layers as well as imperfections in samples, namely poor control over layer thickness of multilayer nanowires and purity of each layer. Moreover, the estimation of porosity was not precise causing more error in model prediction of anisotropy field. These issues are more serious for specific geometries of multilayer nanowires where the magnetic disks are close to each other and their dipolar interaction can not be assumed to be homogeneous. Here, we first address the issues related to samples. We proposed a so called Coulometry method to have more control over layer thickness. We also achieved relatively higher purity in our samples by adjusting the amount of non-magnetic material inside the electrolyte bath before electrodeposition. A new method was also proposed to measure the effective porosity of the porous alumina which is used as a template for electrodeposition. A systematic process is also proposed in order to improve the pore regularity in alumina templates which is necessary in some applications.

Résumé

Les réseaux de nanofils magnétiques suscitent beaucoup d'intérêt pur un large éventail d'application, incluant les milieux d'enregistrement magnétique haute densité, les cristaux magnoniques et les capteurs magnéto-résistifs. Parmi les exigences de base pour un déploiement commercial de ces nouveaux matériaux, on retrouve la facilité et le faibles coûts de fabrication, la reproductibilité des propriétés physiques et des caractéristiques magnétiques ajustables telles que la coercivité, anisotropie et la stabilité thermique. Dans des études précédentes, un modèle de champ équivalent basé sur une approche de champ moyen pur a été développé pour décrire l'anisotropie magnétique des systèmes constitués de réseaux de nanofils magnétiques multicouches. Cependant, ce modèle n'était pas toujours en accord avec l'expérience, en raison d'une simplification excessive de l'interaction dipolaire entre les couches magnétiques, ainsi que des imperfections dans les échantillons, notamment du mauvais contrôle de l'épaisseur des couches de nanofils multicouches et de la pureté chimique de chaque couche. De plus, l'estimation de la porosité des matrices nanoporeuses manquait de précision, causant des erreurs dans la prédiction du modèle de l'anisotropie. Ces problèmes sont particulièrement marqués pour les géométries spécifiques de nanofils multicouces, dans lesquelles les couches magnétiques sont rapprochés les unes des autres, produisant des interactions dipolaires inhomogèmes. Dans cette thèse, nous abordons d'abord les problèmes liés à la fabrication des échantillons. Nous avons proposé une méthode coulométrique, afin d'améliorer notre contrôle sur l'épaisseur des couches lors de la fabriction. Nous avons également atteint une pureté relativement plus élevée dans nos échantillons en ajustant la qualité de matériau non magnétique dans la solution életrolytique pour l'électrodéposition des couches.