Développement de matériaux nanocomposites ferro-magnétiques par ablation laser. Application à la synthèse de nanoparticules de Co et FeCo magnétiques douces noyées dans des matrices magnétiques dures de NdFeB et FePt

Discipline

Matériaux Céramiques et Traitements de Surface

Classification

Physique,

Sciences de l'ingénieur

Mots-clés libres

Ablation laser impulsionnelle, Nano-composites magnétiques, Films minces ferromagnétiques

Mots-clés

Matériaux hybrides,

Couches minces,

Nanoparticules

Ce document est le fruit d’un travail de thèse réalisé au sein de l’institut IRCER à Limoges au cours des trois dernières années. Il présente toutes les étapes qui ont conduit à la synthèse de nano-composites ferromagnétiques composé d’une matrice ferromagnétique dure et de nanoparticules magnétiques douces. Plus généralement, ce travail de thèse s’insère dans un projet collaboratif ANR-SHAMAN sur les composites magnétiques réunissant trois laboratoires (l’Institut Néel de Grenoble, l’Institut Lumière Matière de Lyon et l’Institut de Recherche sur les Céramiques de Limoges) et une société civile (l’European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble). Aussi, la plupart des caractérisations magnétiques présentés dans ce document ont été réalisées à/et en collaboration avec l’Institut Néel de Grenoble. Des films minces de NdFeB et de FePt ont été développés par dépôt par ablation laser (PLD) sur différents substrats (Si/SiO2, Al2O3, MgO). Le contrôle du procédé à partir d’une cible unique ainsi que la maitrise de la structure et de la microstructure des matériaux ont conduit à l’obtention de propriétés magnétiques tout à fait remarquables. Des films (150 nm) composés de grains de Nd2Fe14B1 découplés grâce à une phase riche en Néodyme présentent un couple, rémanence/coercivité, de valeurs proches des meilleurs aimants macroscopiques du marché μoHc ~1.3 T, μoMr ~1.1 T et une courbe typique d’aimantation carré sans phase secondaire. Profitant d’un processus de démouillage induit par recuit rapide, une collection de grains isolés de FePt (15 nm) réalisés par PLD présente aussi de très bonnes caractéristiques magnétiques, μoHc ~4.4 T, μoMr ~1.3 T, des phases secondaires persistantes sont toutefois à déplorer. Parallèlement à ces développements, un générateur de nanoparticules entièrement réalisé à l’institut IRCER et associé à l’enceinte principale permet la synthèse de nanoparticules ferromagnétique de Co et Fe65Co35. Les particules métalliques dont la taille varie de 2 à 5 nm de diamètres, en fonction des paramètres appliqués au générateur, sont cristallisées et magnétiquement douces. Des nano-composites, d’architectures définis, composés de grains de FePt et de nanoparticules de Fe65Co35, à 25% volumique en proportion, ont montrées une augmentation importante (+24%) de la rémanence par rapport à un film mince de FePt conventionnel, tout en préservant intact les propriétés de coercivité. La difficulté réside dans la préservation des propriétés des composés magnétiques durs et doux malgré l’application de température élevées ~750°C et des phénomènes de diffusion associés. Ces améliorations constituent une preuve expérimentale validant la théorie sur l’augmentation des propriétés magnétiques des composites basés sur une interaction de matériaux magnétiquement durs et doux. Ces travaux de thèse se situent dans la perspective d’une maitrise des architectures à l’échelle micro/nanométrique de matériaux modèles afin d’en améliorer les propriétés magnétiques.