Développement de matériaux nanocomposites ferro-magnétiques par ablation laser. Application à la synthèse de nanoparticules de Co et FeCo magnétiques douces noyées dans des matrices magnétiques dures de NdFeB et FePt

Dual pulsed laser vaporization process dedicated to nanocomposite : Development of soft (Co, FeCo) in hard (NdFeB, FePt) magnetic nanocomposites

• Auteur / Autrice : Tuan Nguyen Van
• Direction : Frédéric Dumas-Bouchiat, Corinne Champeaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux Céramiques et Traitements de Surface
• Date : Soutenance le 07/05/2021
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique (Poitiers ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur les CERamiques
• Jury : Président / Présidente : Nora Dempsey
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Dumas-Bouchiat, Corinne Champeaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Millon, Viorel Pop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanoparticules

Couches minces

Matériaux hybrides

Mots clés libres

Ablation laser impulsionnelle

Nano-composites magnétiques

Films minces ferromagnétiques

Pulsed laser ablation

Soft-hard nanocomposites

Magnetic thin films

Nanoparticles

Résumé

Ce document est le fruit d’un travail de thèse réalisé au sein de l’institut IRCER à Limoges au cours des trois dernières années. Il présente toutes les étapes qui ont conduit à la synthèse de nano-composites ferromagnétiques composé d’une matrice ferromagnétique dure et de nanoparticules magnétiques douces. Plus généralement, ce travail de thèse s’insère dans un projet collaboratif ANR-SHAMAN sur les composites magnétiques réunissant trois laboratoires (l’Institut Néel de Grenoble, l’Institut Lumière Matière de Lyon et l’Institut de Recherche sur les Céramiques de Limoges) et une société civile (l’European Synchrotron Radiation Facility de Grenoble). Aussi, la plupart des caractérisations magnétiques présentés dans ce document ont été réalisées à/et en collaboration avec l’Institut Néel de Grenoble. Des films minces de NdFeB et de FePt ont été développés par dépôt par ablation laser (PLD) sur différents substrats (Si/SiO2, Al2O3, MgO). Le contrôle du procédé à partir d’une cible unique ainsi que la maitrise de la structure et de la microstructure des matériaux ont conduit à l’obtention de propriétés magnétiques tout à fait remarquables. Des films (150 nm) composés de grains de Nd2Fe14B1 découplés grâce à une phase riche en Néodyme présentent un couple, rémanence/coercivité, de valeurs proches des meilleurs aimants macroscopiques du marché μoHc ~1.3 T, μoMr ~1.1 T et une courbe typique d’aimantation carré sans phase secondaire. Profitant d’un processus de démouillage induit par recuit rapide, une collection de grains isolés de FePt (15 nm) réalisés par PLD présente aussi de très bonnes caractéristiques magnétiques, μoHc ~4.4 T, μoMr ~1.3 T, des phases secondaires persistantes sont toutefois à déplorer. Parallèlement à ces développements, un générateur de nanoparticules entièrement réalisé à l’institut IRCER et associé à l’enceinte principale permet la synthèse de nanoparticules ferromagnétique de Co et Fe65Co35. Les particules métalliques dont la taille varie de 2 à 5 nm de diamètres, en fonction des paramètres appliqués au générateur, sont cristallisées et magnétiquement douces. Des nano-composites, d’architectures définis, composés de grains de FePt et de nanoparticules de Fe65Co35, à 25% volumique en proportion, ont montrées une augmentation importante (+24%) de la rémanence par rapport à un film mince de FePt conventionnel, tout en préservant intact les propriétés de coercivité. La difficulté réside dans la préservation des propriétés des composés magnétiques durs et doux malgré l’application de température élevées ~750°C et des phénomènes de diffusion associés. Ces améliorations constituent une preuve expérimentale validant la théorie sur l’augmentation des propriétés magnétiques des composites basés sur une interaction de matériaux magnétiquement durs et doux. Ces travaux de thèse se situent dans la perspective d’une maitrise des architectures à l’échelle micro/nanométrique de matériaux modèles afin d’en améliorer les propriétés magnétiques.

The results of the thesis were carried out at the IRCER institute in Limoges, France over the past three years. It presents all the steps to synthesize ferromagnetic nanocomposites composed of hard magnetic matrix and soft magnetic nanoparticles (NPs). This work is a part of a joint project SHAMAN ANR-16-CE09-0019 on magnetic nanocomposites bringing collaboration between three laboratories Néel Institute in Grenoble, Lumière Matière Institute in Lyon and Institute of Research for Ceramics in Limoges, and the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. All of the magnetic characterizations presented in this work were conducted at Néel Institute. Thin films of NdFeB and FePt have been successfully developed by Pulsed Laser Deposition (PLD) on various substrates (Si/SiO2, Al2O3, MgO) using single alloy targets. The control of the structure and microstructure of materials have led to achieve quite remarkable magnetic properties. 150 nm-thin films composed of Nd2Fe14B1 grains decoupled by a secondary Nd-rich paramagnetic phase present values of magnetic coercivity and remanence close to the best macroscopic magnets on the market, e. g., μoHc ~1.3 T, μoMr ~1.1 T and a square loop shape with single magnetic phase behavior. Taking advantage of dewetting process induced by rapid thermal annealing process, 15 nm-FePt granular films possess also very good magnetic characteristics up to μoHc ~4.4 T, μoMr ~1.3 T, but with remaining secondary phase. Moreover, a homemade nanoparticle generator entirely developed at IRCER and associated with the main PLD chamber allowed to fabricate ferromagnetic Co and Fe65Co35 nanoparticles. The diameters of NPs are well controlled in the range 2-5 nm, depending on the parameters in the nucleation cavity. All NPs are crystallized and magnetically soft. Soft-hard magnetic nanocomposites with defined architectures and composed of FePt grains with 25% volume fraction of Fe65Co35 NPs, exhibit a significant increase of + 24% in remanence compared to that of conventional FePt thin film, while the coercivity remains constant at around 2 T. The challenge is about preserving simultaneously the properties of hard and soft magnetic phases, with the required high temperatures of 750°C and the associated diffusion phenomena. These results constitute an experimental evidence validating the theory about the enhancement of the magnetic properties in the composites, allowing exchange-coupling interaction between hard and soft phases. This work opens the way to micro/nanoscale architectures of model materials in order to augment their magnetic properties.