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Univ. Paris-Saclay
11 septembre 2013
Rôle des défauts structuraux sur la magnétorésistance de nanoconstrictions magnétique
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L'augmentation de la sensibilité des capteurs magnétiques et leur intégration ont permis d'augmenter considérablement la densité de stockage de l'information. Poursuivre ce mouvement est une forte incitation à réaliser des études explorant le comportement magnétique des nanostructures et nano-objets. Parmi ces objets, les nanofils sont des objets fascinants qui, du fait de leur faible section, montrent des effets nouveaux : les chercheurs du LSI ont ainsi explorés les propriétés de transport de nanofils de nickel et observés des effets de magnétorésistance très originaux, liés à la taille des objets étudiés.

 

 

Du fait de leur taille, les nano-objets présentent des propriétés magnétiques très originales. Les variations d'aimantation d'un objet étant liée à des déplacements de parois entre domaines magnétiques, le confinement de ces parois dans des fils de très faible section introduit des effets nouveaux, que les chercheurs de l'IRAMIS/LSI ont choisi d'étudier, en mettant l'accent sur les propriétés de transport électrique associés (effets de magnétorésistance). A la limite ultime, les domaines magnétiques de dimension atomique acquièrent de nouvelles propriétés liées à la nature balistique du transport à travers un ou plusieurs atomes. De plus, à ces échelles, les contraintes mécaniques induites magnétiquement (i.e. la magnétostriction) commencent aussi à jouer un rôle majeur, et plusieurs résultats atypiques récents ont été attribués à de tels effets.

 
Rôle des défauts structuraux sur la magnétorésistance de nanoconstrictions magnétique

Figure 1 : Images FESEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy) de traces biconiques dans des films fins de poly(VDF-co-TrFE), irradiés aux ions rapides sur la ligne SME du GANIL et révélés par attaque chimique : ions 78Kr31+, 10MeV/uma, fluence de 106 ions.cm-2 et conditions d’attaque : KOH 10N / KMnO4 0.25N 80°C, 1h.
a) Vue globale de la tranche cryo-fracturée d’une membrane à traces attaquées de poly(VDF-co-TrFE); b) agrandissement sur une trace biconique ; c) vue en surface ; d) Détermination de la taille de la nanoconstriction (~ 10 nm) par extrapolation.

L'équipe du LSI a acquis un bon savoir faire dans la réalisation de nanofils par une méthode originale d'implantation d'ions dans une matrice polymère et croissance des fils métalliques dans les canaux obtenus après attaque chimique des traces latentes d'irradiation. Selon les conditions d’attaque, des fils coniques peuvent même être élaborés avec une conicité ajustable (jusqu'à 28°, voir figure). Ainsi des petites constrictions de moins de 10 nm de diamètre sont réalisables par électrodéposition d’un nanofil de 10µm de long dans une membrane polymère à traces attaquées biconiques (méthode par Template Synthesis). La matrice choisie est un copolymère (VDF-HFP), bien adapté au procédé de part sa bonne résistance à l’irradiation aux ions lourds rapides du CIMAP. De plus, ce copolymère est électrodéformable (comme l’homopolymère PVDF) mais sans être pyroélectrique.Les nanofils biconiques obtenus sont en nickel, matériau magnétostrictif, et connectés individuellement par contact électrique. La résistance de cet objet magnétique unique et tridimensionnel, comportant une constriction de dimension nanométrique, est mesurée en fonction d’un champ magnétique à différents angles, par rapport à l'axe du fil.

L’étude de la magnétorésistance d'un tel objet montre des sauts de résistance bien individualisés, séparés par des plateaux de stabilité (Fig. 2), qui ne peuvent être interprétés par des effets de magnétorésistance classique. A noter que le signal est inversé par rapport au profil bien connu d'une magnétorésistance anisotrope. Après quelques cycles d'hystérésis plus intenses, le système relaxe et se stabilise pour produire des cycles réversibles et reproductibles.

 

L'ensemble des mesures indiquent que le profil de résistance mesuré en fonction du champ magnétique appliqué est à relier aux propriétés mécaniques du fil. Les contraintes magnétomécaniques sont en effet capables de modifier les structures matricielles (typiquement via des dislocations) au niveau de la constriction. Cette étude a été comparée à des mesures similaires faites par notre équipe en collaboration avec le CEMES à Toulouse sur les constrictions plus larges pour lesquelles les différents états structuraux des parois de domaines ont été identifiés.


Figure 2: Résistance en fonction du champ appliqué. L’angle du champ est de 35° par rapport à l’axe du nanofil (champ et fil biconique schématisé). (a) La boucle d’hystéresis montre des sauts de résistance séparés par des plateaux de stabilité. (b) Après relaxation du système, reproductibilité des sauts et plateaux sur  six boucles d’hystéresis.

 

Nous pouvons ainsi interpréter ces phénomènes par l’action de la contrainte produite par la magnétostriction des bicones de Ni sur des dislocations ou autres défauts structuraux piégés au niveau de la constriction. Ce champ de contrainte produit le déplacement des défauts, sur quelques distances atomiques, modifiant ainsi la conductivité électrique de la constriction. En faisant l’hypothèse que la constriction est composée d’une douzaine de canaux de conduction balistique parallèles possédant une résistance typique de l'ordre de 13 kΩ chacun, un déplacement d'un défaut, même inférieur au nanomètre est capable de produire les changements de résistance mesurés. Le déplacement induit une déformation plastique qui ouvre ou ferme des canaux de conduction. Le phénomène inverse (relaxation de la contrainte) est par ailleurs compatible avec un retour à l’équilibre par activation thermique d’une partie de la dislocation.

Cette étude monte ainsi la nécessité d'une approche complète, électrique et mécanique, pour maitriser les effets de magnétorésistance dans les nano-objets; Dans ces objets, l'effet de taille modifie la nature de la conduction électrique (effets balistiques) et réduit en nombre les canaux de conduction, rendant ainsi l'objet sensible aux effets structuraux induits par la magnétostriction.

 

Références :

- Capteurs par assemblage de nanofils,
J-E. Wegrowe, M-C. Clochard, D. Lairez, T. Wade, brevet CEA-X-CNRS FR 09 51042 étendu PCT 18/08/2011.

- Synthesis and magnetic reversal of bi-conical Ni nanostructures,
N. Biziere, R. Lassalle-Ballier, M-C. Clochard, M. Viret, T. Wade, E. Balanzat, J-E. Wegrowe, J. of Appl. Phys. 110(6) (2011) 063906.

- Imaging the fine structure of a magnetic domain wall in a Ni nano-cylinder,
N. Biziere, C. Gatel, R. Lassalle-Ballier, M-C. Clochard, J-E. Wegrowe, E. Snoeck, Nanoletters 13(5) (2013) 2053.

- Magnetoresistance in magnetic nanoconstrictions: the role of structural defects,
N. Biziere, M-C. Clochard, C. Pham Do, M. Viret, J-E. Wegrowe
J. Appl. Phys. 113 (17) (2013) 173910.

- Magnetic Nanoconstrictions made from Nickel Electrodeposition in Polymeric Bi-conical tracks: Magneto-transport behaviour,
M-C. Clochard, M. El Jouad, N. Bizière, Pham Do Chung, H-J. Drouhin, E. Balanzat, D. Lairez, M. Viret, J-E. Wegrowe
Rad.Phys.Chem. (2013) In Press Available online 27 June 2013.
 

Contact chercheurs :

 

Maj : 18/10/2013 (2176)

 

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