Theoretical and experimental study of surface acoustic wave propagation in layered piezomagnetic structures

Les développements récents en physique, et technologiques, ont permis l’élaboration de nouveaux matériaux magnéto-électro-élastique, comme les composites multicouches piézoélectriques / piézomagnétiques. Leur coefficient magnétoélectrique, très grand en comparaison de celui des matériaux constitués d’une seule phase, a suscité récemment un grand nombre de travaux, menant au développement de capteurs, d’actionneurs, de systèmes de conversion d’énergie magnétique-électrique, et dans les mémoires à état solide.Cette thèse porte sur l’étude théorique et expérimentale des ondes acoustiques de surface dans des structures multicouches piézomagnétiques. Une description théorique des matériaux magnéto-élastiques, reposant sur la dérivation d’un modèle de matériau piézomagnétique équivalent, est utilisée conjointement à une technique numérique afin de calculer les courbes de dispersion et les formes des modes des ondes acoustiques se propageant dans des composites piézo-électro-magnétiques déposés sur un substrat. Ce modèle, très général, peut être utilisé pour différents types de structures et pour une intensité et une direction quelconques du champ magnétique externe appliqué. Les structures réalisées en salle blanche sont constituées d’un film mince de 20 couches de TbCo2 (5nm)/FeCo(5nm) déposé sur un substrat de LiNbO3 entre deux peignes interdigités. Une comparaison, entre les variations de la vitesse de phase d’ondes acoustiques de surface induites par l’application d’un champ magnétique externe modélisées et mesurées, est réalisée. Un bon accord quantitatif entre les mesures et les calculs théoriques, et cela pour toutes les orientations du champ magnétique (suivant l’axe facile ou l’axe difficile) et pour différents modes acoustiques, est obtenu. Le mode transverse horizontal présente les plus grandes variations de vitesse, proche de 20% pour un film dont l’épaisseur serait celle de la longueur d’onde acoustiqueRecent developments in physics and technology allow the elaboration of new magneto-electro- elastic materials such as multilayered piezoelectric-piezomagnetic composites. Their large magne- toelectric coefficient, compared to the one of single phase materials, recently attracted a large number of studies, and they are now widely used in the development of sensors, actuators, magnetic- electric energy converting devices, and solid state memories.This PhD thesis addresses the experimental and theoretical investigations of guided elastic waves propagation in piezomagnetic multi-layered structure. A theoretical description of magneto- elastic materials, based on the derivation of an equivalent piezomagnetic material of a magnetostric- tive thin film, is used in conjunction with a numerical method to compute propagation constants, i.e. dispersion curves, and mode shapes of elastic waves in layered piezoelectric-piezomagnetic com- posites deposited on a substrate. This model can be used for different structures, and for an applied external magnetic field of any intensity and direction.The realized structures are composed of a 20xTbCo2(5nm)/FeCo(5nm) nanostructured multi- layer deposited between two Aluminum Inter-Digitals Transducers forming a surface acoustic wave delay line, on a LiNbO3 substrate. A comparison between the calculated and measured phase velocity variation under the action of the external magnetic field orientation and magnitude is made. A quantitative agreement between the measured and modeled phase velocity shift for all external magnetic field configurations (hard axis and easy axis) and for different shape modes of elastic waves at their first and third harmonic operation frequencies is obtained. The shear horizontal mode exhibits a maximum phase velocity shift close to 20% for a ratio close to 1 between magneto-elastic film thickness and wavelengt