Magnetic configurations in Co-based nanowires explored by electron holography and micromagnetic calculations

par David Fernando Reyes Vasquez

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Bénédicte Warot et de Christophe Gatel.

  • Titre traduit

    Etudes par holographie électronique et calculs micromagnétiques de nanofils magnétiques à base de cobalt


  • Résumé

    Les nanofils magnétiques suscitent un intérêt considérable depuis une quinzaine d'années en raison de leur utilisation potentielle pour la spintronique. Leur utilisation potentielle dans des dispositifs exige une description détaillée des états magnétiques locaux des nanofils. Dans cette thèse, j'ai étudié qualitativement et quantitativement les états magnétiques à l'état rémanent de nanofils magnétiques par holographie électronique (EH) et simulations micromagnétiques. Une analyse détaillée a été réalisée sur deux types de nanofils : multicouches Co/Cu et nanofils FeCoCu à diamètre modulé. Les deux systèmes ont été synthétisés par électrodéposition dans des membranes. La combinaison des caractérisations magnétiques, structurales et chimiques locales obtenues dans un TEM avec des simulations micromagnétiques ont permis une description complète de ces systèmes. Pour les nanofils multicouches Co / Cu, j'ai analysé l'influence des épaisseurs de cobalt et de cuivre ou de la structure cristalline de Co sur la configuration magnétique de nanofils isolés. Après l'application d'un champs de saturation dans des directions parallèle et perpendiculaire à l'axe des nanofils, j'ai étudié les configurations magnétiques pour les épaisseurs de Co / Cu suivantes : 25nm / 15nm, 25nm / 45nm, 50nm / 50nm et 100nm / 100nm. Trois configurations principales à la rémanence ont été trouvées : (i) un couplage antiparallèle entre les couches Co, (ii) une structure mono-domaine et (iii) un état vortex. Dans les nanofils Co (25 nm) / Cu (15 nm), en fonction de la direction du champ de saturation, les couches de Co peuvent présenter soit un couplage antiparallèle (champ de saturation perpendiculaire) ou un couplage de type vortex (champ de saturation en parallèle) avec un coeur aligné parallèlement à l'axe du fil. Cependant, 10% des nanofils étudié présente un état mono-domaine quel que soit le champ de saturation parallèle et perpendiculaire. Dans le cas Co (50 nm) / Cu (50 nm) et Co (25 nm) / Cu (45 nm), l'épaisseur plus grande de Cu séparant les couches ferromagnétiques réduit l'interaction magnétique entre des couches de Co voisines. L'état rémanent est donc formé de la combinaison de couches de Co monodomaines orientés perpendiculairement à l'axe du fil et de certains états vortex. Enfin pour la configuration Co (100 nm) / Cu (100 nm), un état monodomaine est observé quel que soit la direction du champ appliqué lors de la saturation. Toutes ces configurations magnétiques ont été déterminées et simulées à l'aide des calculs micromagnétiques jusqu'à ce qu'un accord quantitatif avec les résultats expérimentaux aient été obtenus. J'ai ainsi pu expliquer l'apparition et la stabilité de ces configurations en fonction des principaux paramètres magnétiques tels que l'échange, la valeur et la direction de l'anisotropie et l'aimantation. La comparaison entre les simulations et les résultats expérimentaux ont ainsi servi à déterminer précisément la valeur de ces paramètres. Dans les nanofils FeCoCu à diamètre modulé, une description détaillée de l'influence de la géométrie sur la configuration locale de spins a été réalisée. Les expériences d'holographie électronique montrent une structure magnétique monodomaines avec l'aimantation alignée longitudinalement. Cependant, nous avons trouvé grâce à des simulations micromagnétiques que cette configuration monodomaine est fortement affectée par la variation locale du diamètre. L'étude en particulier du champ de fuite mais aussi du champ démagnétisant à l'intérieur des nanofils a mis en évidence le rôle prépondérant des charges magnétiques aux zones de variation de diamètre. De plus l'aimantation présente une structure plus compliquée qu'un simple alignement le long de l'axe du fil. Enfin les résultats que j'ai obtenus ont abouti à une interprétation différente d'expériences précédentes en MFM.


  • Résumé

    Magnetic nanowires have raised significant interest in the last 15 years due to their potential use for spintronics. Technical achievements require a detailed description of the local magnetic states inside the nanowires at the remnant state. In this thesis, I performed quantitative and qualitative studies of the remnant magnetic states on magnetic nanowires by Electron Holography (EH) experiments and micromagnetic simulations. A detailed investigation was carried out on two types of nanowires: multilayered Co/Cu and diameter-modulated FeCoCu nanowires. Both systems were grown by template-based synthesis using electrodeposition process. The combination of local magnetic, structural and chemical characterizations obtained in a TEM with micromagnetic simulations brought a complete description of the systems. In the multilayered Co/Cu nanowires, I analysed how different factors such as the Co and Cu thicknesses or the Co crystal structure define the remnant magnetic configuration into isolated nanowires. After applying saturation fields along directions either parallel or perpendicular to the NW axis, I studied multilayered Co/Cu nanowires with the following relative Co/Cu thickness layers: 25nm/15nm, 25nm/45nm, 50nm/50nm, and 100nm/100nm. Three main remnant configurations were found: (i) antiparallel coupling between Co layers, (ii) mono-domain-like state and (iii) vortex state. In the Co(25 nm)/Cu(15 nm) nanowires, depending on the direction of the saturation field, the Co layers can present either an antiparallel coupling (perpendicular saturation field) or vortex coupling (parallel saturation field) with their core aligned parallel to the wire axis. However, 10% of the nanowires studied present a mono-domain-like state that remains for both parallel and perpendicular saturation fields. In the Co(50 nm)/Cu(50 nm) and Co(25 nm)/Cu(45 nm) nanowires, a larger Cu thickness separating the ferromagnetic layers reduces the magnetic interaction between neighbouring Co layers. The remnant state is hence formed by the combination of monodomain Co layers oriented perpendicularly to the wire axis and some tilted vortex states. Finally for the Co(100 nm)/Cu(100 nm) nanowires a monodomain-like state is found no matters the direction of the saturation field. All these magnetic configurations were determined and simulated using micromagnetic calculations until a quantitative agreement with experimental results has been obtained. I was able to explain the appearance and stability of these configurations according to the main magnetic parameters such as exchange, value and direction of the anisotropy and magnetization. The comparison between simulations and experimental results were used to precisely determine the value of these parameters. In the diameter-modulated cylindrical FeCoCu nanowires, a detailed description of the geometry-induced effect on the local spin configuration was performed. EH experiments seem to reveal that the wires present a remnant single-domain magnetic state with the spins longitudinally aligned. However, we found through micromagnetic simulations that such apparent single-domain state is strongly affected by the local variation of the diameter. The study of the leakage field and the demagnetizing field inside the nanowire highlighted the leading role of magnetic charges in modulated areas. The magnetization presents a more complicated structure than a simple alignment along the wire axis. Finally my results have led to a new interpretation of previous MFM experiments.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2016 par Université Toulouse 3 Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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  • Sous le titre : Magnetic configurations in Co-based nanowires explored by electron holography and micromagnetic calculations
  • Détails : 1 vol. (285 p.)
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