Imagerie magnétique dans un microscope électronique en transmission pour l'étude du magnétisme à l'échelle du nanomètre

par Aurélien Masseboeuf

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Alain Marty.

Soutenue en 2008

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015) .

mots clés

• Microscopie électrochimique à balayage
• Holographie

Résumé

Ce travail porte sur l'étude, l'implémentation et le développement de la Microscopie de Lorentz, appliquée à l'observation de films minces magnétiques à anisotropie perpendiculaire (Fer-Palladium) et aux nanostructures auto-assemblées (Fer et Cobalt) à fermeture de flux. Une présentation exhaustive de tous les différents modes de l'imagerie magnétique dans un Microscope Electronique en Transmission (MET) est réalisée en comparaison avec d'autres techniques de caractérisation magnétique par l'image. Il est notamment présenté ici comment cette microscopie peut être implémentée sur un microscope conventionnel et les divers modes de celle-ci sont comparés par la simulation. La Microscopie de Lorentz permet une analyse à la fois locale et quantitative de la distribution de l'induction magnétique dans et autour des matériaux. Dans le même temps, il est possible d'effectuer des études sous l'application d'un champ magnétique pour déterminer l'évolution de la configuration micromagnétique de la matière. Les alliages Fer-Palladium sont ainsi entièrement caractérisés sous différentes géométries par les méthodes de Differential Phase Contrast, résolution de l'équation de Transport d'Intensité et Holographie électronique. L'étude in-situ permet notamment de caractériser et de suivre des défauts magnétiques : les lignes de Bloch verticales. L'étude de nanostructures (plots de Cobalt et plots de Fer) permet quant à elle de de manipuler les différents degrés de libertés magnétiques de systèmes 3D nanostructurés. Il est notamment proposé d'observer des phénomènes de transition entre divers objets du micromagnétisme (vortex, parois de domaines symétriques et asymétriques) ainsi qu'une sélection des degrés de liberté du système par l'application d'un champ.

Titre traduit

Magnetic studies at the nanometer scale with magnetic imaging using transmission electron microscopy

Résumé

This work deals with the implementation and development of Lorentz Microscopy (LTEM) for perpendicular magnetic anisotropy thin foils (FePd) and magnetic flux closure nanostructures (self-assembled Fe and Co dots). An exhaustive overview of magnetic imaging in a Transmission Electron Microscope (TEM) among its different modes is given with a comparison to other magnetic imaging techniques. A method for implementation of LTEM in a conventionnal TEM is also described as all the modes of magnetic imaging in a TEM are compared one to another by mean of simulated images. LTEM enables a locale (nanometer scale) and quantitative observation of magnetic induction in and out of the samples. At the same times it is possible to perform in-situ experiment as applying magnetic field to observe micromagnetic configuration evolution. FePd alloys are thus fully characterized with respect to different geometry of the samples with use of Differential Phase Contrast, Transport of Intensity Equation solving and Electron Holography. In-situ studies give quantitative information on the films behaviour under applied field by means of Vertical Bloch Lines motion. Study of Fe and Co nanostructures show how it is possible to control different magnetic degrees of freedom in such magnetic flux-closure configurations. A major point is the control of transition between different micromagnetic objects (vortices, symetric and asymetric domain walls) performed with the use of an external magnetic field.