Study of the exchange bias properties in ferromagnetic/multiferroic nanostructures

Ce travail de thèse est consacré à l’étude du couplage d’échange dans des nano-structures de type ferromagnétique-multiferroïque, avec un intérêt particulier dans la compréhension du renversement en température et angulaire de l’aimantation.Au niveau théorique, un modèle numérique de renversement en température de l’aimantation dans des nanoparticules de type cœur-coquille sera présenté. Le code source du programme, implémenté au cours de cette thèse, a été rendu disponible pour la communauté scientifique sous licence libre. Il permet notamment d’introduire une dispersion en taille des particules, et démontrera le rôle clé de la distribution en taille et de la température dans la réponse magnétique des nanoparticules.Au niveau expérimental, une bicouche composée d’un ferromagnétique Ni81Fe19, et d’un multiferroïque magnétoélectrique à température ambianteBiFeO3, est étudiée. Ces couches sont déposées par pulvérisation cathodique radiofréquence, selon différentes épaisseurs de BiFeO3. Leur structure ainsi que leur morphologie sont caractérisées par diffraction des rayons X, microscopie à force atomique et microscopie électronique à transmission, révélant en particulier la polycristallinité de BiFeO3. Le renversement de l’aimantation est analysé par magnétométrie vectorielle à échantillon vibrant, fournissant des mesures angulaires à température ambiante et à 77 K, à l’aide d’un cryostat à immersion développé au cours de cette thèse ; ainsi que par magnétométrie SQUID, avec l’application de deux protocoles spécifiques de refroidissement en température (entre 10 K et 380 K). Les résultats montrent un comportement similaire à ceux obtenus sur des bicouches épitaxiées. Une propriété intrinsèque du BiFeO3 sera proposée comme étant un mécanisme possible conduisant au comportement en température obtenu, à savoir le cantage des spins de BiFeO3 conduisant à une contribution biquadratique du couplage d’échange. Finalement, un phénomène nouveau dans les matériaux couplés par échange sera mis en évidence à température ambiante, c’est-à-dire un traînage angulaire des axes d’anisotropie.This dissertation presents a study of the exchange coupling in ferromagnetic-multiferroic nanostructures, with specific interest in understanding the thermal and angular reversal of the magnetization.A theorical numerical model of the thermal magnetization reversal in core-shell nanoparticles is presented. The program source code, implemented during this thesis, is freely avaibale to the scientific community under an open-source license. This model, developed during this thesis, allows diameter size dispersion, and demonstrates the key role of the size distribution and temperature in the magnetic response of nanoparticles.The experimentally studied bilayer is composed of a ferromagnetic material, Ni81Fe19, and a room temperature magnetoelectric multiferroic, BiFeO3. Different thicknesses in BiFeO3 were deposited. The structure and morphology of the bilayers were studied using X-ray diffraction, atomic force microscopy and transmission electron microscopy, revealing in particular the BiFeO3 polycristallinity. The magnetization reversal was probed by vectorial vibrating magnetometry, at room temperature and 77 K, using a self-developped immersive cryostat. The SQUID magnetometry allowed the measurement of two specific cooling protocols between 10 K and 380 K. The results of these two different protocols are similar to the ones obtained for measurements previously reported on expitaxial BiFeO3. An intrinsic property of BiFeO3 is proposed as being the driving mechanism for the thermal dependent magnetization reversal: the canting of the BiFeO3 spins leading to a biquadratic contribution to the exchange coupling. Finally, a new phenomenon in exchange coupled materials is shown at room temperature, which corresponds to an angular training of the anisotropy axes