Nanoparticules magnétiques d’architecture complexe core-shell : couplage d'échange bias et interaction dipolaire

Magnetic nanoparticles of complex architecture core-shell : exchange bias coupling and dipolar interaction

• Auteur / Autrice : Zeinab Nehme
• Direction : Jean-Marc Greneche, Nader Yaacoub, Yvan Labaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2016
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans ; 2012-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moments dipolaires

Simulation par ordinateur

Hystérésis, Cycle d'

Monte-Carlo, Méthode de

Nanoparticules magnétiques

Mots clés libres

Nanoparticules magnétiques

Core@shell

Echange bias

Interaction dipolaire

Modélisation des nanoparticules

Monte Carlo

Effets de surface et d'interface

Cycles d'hystérésis

Magnetic nanoparticles

Exchange bias

Dipolar interaction

Modelling of nanoparticles

Surface and interface effects

Hysteresis loops

Résumé

Le travail de thèse est consacré à l'étude numérique de nanoparticules (NPs) magnétiques core@shell Fe3O4@CoO présentant des propriétés d'échange bias (EB) en utilisant la méthode Monte Carlo (MC). En particulier, nous nous sommes concentrés sur l'étude de l'effet des réponses collectives (interactions inter-particules telles que les interactions dipolaires (ID)) sur les propriétés magnétiques de ces structures. Des résultats expérimentaux préliminaires, montrant l'existence d'une relation entre le décalage du cycle d'hystérésis et l'interaction entre NPs, ont motivé le travail numérique mené dans le cadre de cette thèse.La première partie de ce mémoire est une étude méthodologique visant à trouver les conditions optimales pour simuler les cycles d'hystérésis d'une façon correcte par MC.Les résultats révèlent une dépendance linéaire entre le champ coercitif Hc et la constante d'anisotropie effective pour des conditions non biaisées (algorithme libre, algorithme du cône, algorithme mixte). La deuxième partie est consacrée à l'étude, à l'échelle atomique, des nanostructures présentant l'EB dont nous avons reproduit les deux caractéristiques (un décalage du cycle d'hystérésis, une augmentation importante de Hc).Nous avons également proposé une méthode permettant l'évaluation de la valeur de l'anisotropie effective.En passant à l'échelle d'une assemblée de NPs, plusieurs modèles furent étudiés. Nous arrivons à interpréter les résultats expérimentaux selon le degré d'agrégation des NPs. Nous montrons que l'agrégation (interactions d'échanges entre les NPs) a un effet direct sur le champ d'échange bias, mais le rôle d'ID sur le champ d'échange mérite des études complémentaires.

This thesis is dedicated to the numerical study by means of Monte Carlo (MC) simulations of core@shell Fe3O4@CoO magnetic nanoparticles (NPs) presenting exchange bias properties (EB). In particular, we focused our study on the effect of collective responses (inter-particle interactions as dipolar interactions (DI)) on the magnetic properties of these structures. Our numerical work is motivated by some preliminary experimental results showing the existence of a relationship between the hysteresis loop shift (exchange bias field) and the interaction between NPs. The first part of this thesis is a methodological study to figure out the optimal conditions to simulate hysteresis loops correctly by MC. The results reveal that the coercive field Hc is linearly related to the effective anisotropy constant for non-biased conditions (free algorithm, cone algorithm, mixed algorithm). The second part is dedicated to the study of exchange-biased nanostructures at the atomic scale. We have been able to reproduce both characteristics of EB (hysteresis loop shift, significant increase in Hc). A method allowing the evaluation of the effective anisotropy has been proposed. Considering an assembly of nanoparticles, several models are studied. The experimental results are interpreted according to the degree of aggregation of NPs. It was shown that the aggregation (exchange interactions between NPs) has a direct effect on the exchange bias field, but the role of the ID on the exchange field requires complimentary calculations to be clarified.