Modélisation, développement et caractérisation de matériaux magnétiques à base de nanofils ferromagnétiques pour les technologies hyperfréquences

Les métamatériaux électromagnétiques, constitués d'éléments dont la taille est très inférieure à la longueur d'onde guidée aux fréquences d'intérêts, font l'object d'intenses recherches depuis plusieurs années, notamment à cause de la possibilité de contrôler les paramètres constitutifs des matériaux, tels les tenseurs de permittivité et de perméabilité. Puisque la performance des dispositifs hyperfréquences repose sur notre capacité à contrôler la permittivité et la perméabilité, et donc les relations de dispersion, des matériaux constituants les dispositifs, les métamatériaux électromagnétiques forment une classe de matériaux prometteurs pour la conception de nouveaux dispositifs hyperfréquences aux performances accrues. Les réseaux de nanofils ferromagnétiques (FMNWAs, pour ferromagnetic nanowire ar-rays) constitués d'inclusions métalliques, magnétiques, cylindriques, de taille nanométrique,dans une matrice hôte diélectrique, possèdent un riche spectre de relations de dispersion aux fréquences micro-ondes accordables à l'aide d'un champ magnétique ; ces métamatériaux magnétiques offrent une possibilité de contrôle additionnel des relations de dispersion des dispositifs hyperfréquences. Une meilleure compréhension de la réponse hyperfréquence des FMNWAs nous permettrait d'évaluer le potentiel technologique de ces matériaux prometteurs. Dans ce contexte de recherche, l'objectif de la thèse est de développer une meilleure compréhension de la réponse hyperfréquence des réseaux de nanofils ferromagnétiques métalliques, cylindriques et verticaux. En particulier, nous sommes intéressés par les FMNWAs fabriqués par des procédés électrochimiques compatibles avec les technologies de fabrication de dispositifs micro-ondes actuelles. Pour répondre à cet objectif, nous développons d'abord un montage permettant de fabriquer des membranes nanoporeuses d'alumine par anodization de l'aluminium. Des membranes d'alumine de 20 et 40 nm sont obtenues par ce procédé de fabrication. Une caractérisation structurelle des membranes nanoporeuses d'alumine par microscopie électronique à balayage montre un arrangement quasi-hexagonal des pores. Des membranes commerciales d'alumine de 170 nm de diam`etre, dont l'arrangement des pores est al´eatoire, sont utilisées pour fins de comparaison. Des nanofils de Ni et d'un alliage de Co95Fe4B1 sont obtenus par ´electrod´eposition à l'intérieur des pores de membranes nanoporeuses d'alumine, utilisées comme matrice hôte. Des FMNWAs de 20, 40 et 170 nm de diamètre, plusieurs microns de longueur, sont obtenus. Une caractérisation de fils individuels de CoFeB par microscopie électronique en transmission montre une texture nanocristalline.

Abstract

Electromagnetic metamaterials, constituted of elements much smaller than the guided wavelength at frequencies of interest, have been actively studied in the past years, mainly because of the possibility of controlling the constitutive parameters of materials, such as the permittivity and permeability tensors. Since the performance of microwave and millimeter wave devices rely on our ability to control the dispersion relation of the materials used in these devices, via the permittivity and permeability tensors, electromagnetic metamaterials are promising for the design of novel high frequency devices with enhanced performances. Ferromagnetic nanowire arrays (FMNWAs) constituted of cylindrical metallic, magnetic, wires embedded in dielectric membranes possess a rich dispersion relation spectrum at microwave frequencies, tunable with a magnetic field. These magnetic metamaterials offer many possibilities for adjusting the dispersion relation of high frequency devices. A better understanding of the high frequency response of FMNWAs would allow us to evaluate the potential of these promising materials. Within this context, the main goal of the thesis is to develop a better understanding of the high frequency response of ferromagnetic nanowire arrays, constituted of vertically aligned cylindrical, metallic, magnetic, wires. More precisely, we are interested in FMNWAs obtained using electrochemical techniques compatible with currently available microwave device facilities. In order to achieve this goal, we have developed a setup for the fabrication of nanoporous alumina membranes by anodization of aluminum. Nanoporous alumina membranes of 20 and 40 nm diameter in average, are obtained by anodization of aluminum. Scanning electron microscopy images of the alumina membranes reveal a quasi-hexagonal ordering of the pores. For comparison, commercial Whatman alumina membranes, with pores 170 nm diameter, on average, are used. Nickel and Co95Fe4B1 nanowires, several microns long, were obtained by electrodeposition into the pores of the alumina membranes. FMNWAs of 20, 40 and 170 nm diameter are fabricated. X-ray diffraction patterns of invidividual CoFeB nanowires, obtained using a transmission electron microscope, show that the wires are nanocrystalline. We derive a model for the static response of FMNWAs, including the influence of the external magnetic dc field, of dipolar interactions due to the shape of the wires, of interwire dipolar interactions and of an additional uniaxial anisotropy term. The FMWNA is divided into two populations of wires, with oppositely directed magnetization. The intrawire magnetization is assumed uniform. A model is established to calculate intra (shape of