Theoretical and experimental contribution to the study of exchange-spring magnets

par Renuka Tayade

Thèse de doctorat en Sciences physiques

Sous la direction de Frédéric Mazaleyrat.

Le jury était composé de Olivier Isnard, Martino Lo Bue.

Les rapporteurs étaient Lotfi Bessais, Salim-Mourad Cherif.

  • Titre traduit

    Contribution théorique et expérimentale à l'étude de l'exchange-spring aimants


  • Résumé

    Cette thèse contribue à l'étude des aimants à effet ressort, connu sous le nom de "Exchange Spring Magnets" (ESM). Nous avons divisé nos travaux en deux parties : une première dite expérimentale et une seconde dite théorique. Dans la première partie, nous avons étudié la synthèse de ESM. Le processus de fabrication débute par le mélange des nano-poudres magnétiques dures et douces. Cette étape a été réalisé par broyage mécanique ainsi que par ultrasons. Les mélanges sont ensuite frittés via la technique de frittage par plasma d'arc (Spark Plasma Sintering (SPS)) afin d'obtenir des aimants massifs. La structure ainsi que les propriétés magnétiques de ces aimants sont étudiées. Les structures obtenues présentent des phases intermédiaires ainsi qu'une réduction de la phase magnétique dure. Nous avons trouvé que ces aimants ont des cycles magnétiques à deux phases indiquant un couplage faible entre les phases précurseurs. De plus, les aimants obtenus à partir du mélange à ultrasons possèdent des meilleurs propriétés magnétiques que ceux obtenus par broyages mécanique ainsi qu'une plus grande capacité à obtenir un meilleur couplage. Dans la seconde partie, nous avons étudié l'utilité des ESM pour l'enregistrement magnétique perpendiculaire. Il a été montré qu'en y appliquant un faible champ micro-onde , l'ESM présente un basculement facilité ainsi qu'une meilleur stabilité thermique, ce qui est désirable pour l'enregistrement magnétique. Nous avons étudié les dynamiques non-linéaires de basculement magnétique dans un ESM perpendiculaire en utilisant l'équation de Landau-Lifshitz. A partir d'un nouveau code FORTRAN basé sur la méthode des différences finies, nous avons étudié les solutions numériques de cette équation. Le système bi-couche présente des solutions stables nommés modes-P globaux et une diminution du champ nécessaire au basculement pour une grande gamme de fréquence. Le profil de la magnétisation dans le système étendu à été étudié numériquement. L'étude analytique des dynamiques est commentée en faisant l'approximation que deux modes-P sont couplés par un champ d'interaction. L'"ansatz" utilisé pour décrire le champ d'interaction est validé par comparaison avec les résultats numériques. Cette approche s'est révélée être équivalente à l'étude de deux macro-spins couplés.


  • Résumé

    This thesis is divided into two parts, experimental part presenting the synthesis of exchange spring magnets and theoretical part showing the magnetization dynamics of exchange spring magnets. For the synthesis, ferrite and metal alloy based magnets using mechanical milling and ultrasonic mixing are studied. This part discusses the difficulty in controlling the microstructure during synthesis. Several samples with varying volume fractions of the soft phase are synthesized. It is found that mechanical milling initiates a reaction and this leads to disintegration of the ferrite phase into its intermediate phases. Samples prepared using ultrasonic mixing however show presence of the ferrite phase up to very large volume fraction of the soft alloy phase which provides better perspective for the synthesis. Dynamics of the exchange spring system is studied theoretically using micromagnetic theory. Microwave assisted magnetization reversal are studied in the bulk bilayer exchange coupled system. We investigate the nonlinear magnetization reversal dynamics in a perpendicular exchange spring media using the Landau-Lifshitz equation. In the limit of the infinite thickness of the system, the propagation field leads the reversal of the system. The reduction of the switching field and the magnetization profile in the extended system are studied numerically. The possibility to study the dynamics analytically is discussed and an approximation where two P-modes are coupled by an interaction field is presented. The ansatz used for the interaction field is validated by comparison with the numerical results. This approach is shown to be equivalent to two exchange coupled macrospins.


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