Utilisation de matériaux composites magnétiques à nanoparticules pour la réalisation de composants passifs non réciproques micro-ondes

In telecommunications systems, many studies have been undertaken to integrate non-reciprocal passive components. The proper functioning of circulators often requires large and heavy magnets that ensure a uniform orientation of the magnetic moments of the ferrite material. To work towards the integration and miniaturization of circulators, nanotechnology can offer interesting solutions. The aim of this thesis was to develop a self-biased coplanar circulator. The approach is based on the production of composite substrates "ferrimagnetic nanowire." It consists in a magnetophoresis or a dip-coating deposition of cobalt ferrite nanoparticles in porous alumina membranes and orienting them in a magnetic field uniformly. Magnetic composite substrates were made from CoFe2O4 nanoparticles dispersed in a matrix of silica sol-gel using the dip-coating technique with and without an applied magnetic field. Many studies have been made to study the magnetic and dielectric behavior of these substrates: VSM, spectral polarimetry, MFM and others. The hysteresis loops show a strong difference in the values of coercive fields (μ0Hc) and persistent (Mr / Ms) if, during the fabrication, a magnetic field is applied or not, therefore showing the orientation (or not) of nanoparticles. This nano-composite is an interesting candidate for the fabrication of circulators even if the concentration and the particle orientation are insufficient. Circulators were designed, modeled and simulated using the HFSS software. Following the interesting results of simulation; a first prototype was fabricated and characterized at high frequencies. The measurement results showed a circulation phenomenon, which is very low due to the small percentage of magnetic nanoparticles in the composite and their imperfect orientation. Technological barriers have been clearly identified and do not allow for the time to achieve an operational circulatorDans les systèmes des télécommunications, beaucoup d’études ont été entreprises pour intégrer des composants passifs non réciproques. Le bon fonctionnement des circulateurs exige souvent des aimants volumineux et lourds qui assurent une orientation uniforme des moments magnétiques du matériau ferrite. Pour tendre vers l’intégration et la miniaturisation des circulateurs, les nanotechnologies peuvent offrir des solutions intéressantes. L’objectif de cette thèse a été de développer un circulateur coplanaire auto-polarisé. L'approche choisie est fondée sur la réalisation de substrats composites à «nano-fil ferrimagnétiques». Elle consiste à faire un dépôt par magnétophorèse ou dip-coating de nanoparticules de ferrite de cobalt dans des membranes d’alumine poreuses et de les orienter sous champ magnétique de manière uniforme. Des substrats composites magnétiques ont été fabriqués à partir de nanoparticules CoFe2O4 dispersées dans une matrice sol-gel de silice en utilisant la technique de Dip-coating avec et sans un champ magnétique appliqué. De nombreuses études ont été faites afin d'étudier le comportement magnétique et diélectrique de ces substrats : VSM, polarimétrie spectrale, MFM et autres. Les cycles d'hystérésis montrent une forte différence des valeurs des champs coercitifs (μ0Hc) et rémanents (Mr/Ms) si, durant la fabrication, un champ magnétique est appliqué ou non, démontrant ainsi l'orientation (ou non) des nanoparticules. Ce nano-composite est un candidat intéressant pour la fabrication de circulateurs même si la concentration et l’orientation des particules sont insuffisantes. Des circulateurs ont été conçus, modélisés et simulés à l'aide du logiciel HFSS. Suite à des résultats de simulation intéressants; un premier prototype a été fabriqué et caractérisé en hautes fréquences. Les résultats de mesure ont montré un phénomène de circulation, qui reste très faible en raison du faible pourcentage de nanoparticules magnétiques dans le composite et de leur orientation imparfaite. Les verrous technologiques ont été clairement identifiés et ne permettent pas, pour l’instant, de réaliser un circulateur opérationne

Elaboration de composites multiférroïque et caractérisation de l'effet magnétoélectrique

The magnetoelctric (ME) response consists in the modification of the electric polarization by an applied magnetic field (direct effect) or the modification of the magnetic polarization by an applied electric field (inverse effect). Intrinsic multiferroics are rather uncommon and the effect is often weak at room temperature. An alternative route to achieve ME effect, consists in using magnetostrictive and piezoelectric materials and coupling the two phases by mechanical stress. We draw (theoretically and experimentally) some material characteristics to achieve an importantME effect, which justify the use of ferrite and PZT. We describe the production process of the two studied connectivity schemes (stack of layers or inclusion of a phase in another). We focus on the sintering by Spark Plasma Sintering as a potential improvement of the mecanical bonding. We devoted a part of our work on multilayer composite and showed the importance of some factors such as the demagnetizing effect or the symmetry of the structure. We introduce a current sensor prototype suitable for electrical engineering application. We showed its good linearity and sensitivity but also some effects of its bandwidth.L'effet magnétoélectrique (ME) est la modification de la polarisation électrique par l'application d'un champ magnétique (effet ME direct), ou bien la modification de l'aimantation magnétique par l'action d'un champ électrique (effet ME inverse).L'utilisation de matériaux composites permet de reproduire de manière extrinsèque cet effet. Le couplage mécanique entre des matériaux magnétostrictifs et piézoélectriques fournit un effet ME extrinsèque plus important à température ambiante que celui fournit intrinsèquement. Nous avons dégagé (théoriquement et expérimentalement) différentes caractéristiques de matériaux nécessaires à l'obtention d'un effet ME important et justifé l'utilisation de ferrite et de PZT dans les composites ME. Nous expliquons dans cette thèse, les méthodes de fabrications des différentes géométries de composites étudiées (empilement de couches ou bien inclusions d'une phase dans l'autre). En particulier, l'utilisation du frittage non conventionnel par Spark Plasma Sintering, pour améliorer le couplage mécanique y est abordée. En nous focalisant sur la géométrie en multicouche, nous avons montré l'importance de facteurs tels que le champ démagnétisant ou encore la symétrie de la structure. Nous présentons un prototype de capteur de courant utilisable en génie électrique. Nous en avons montré sa bonne linéarité et sensibilité, mais aussi ses défauts en terme de bande passante

Etude de la diffusion de nanoparticules ferromagnétiques dans le fémur du mouton. Application au traitement de tumeurs osseuses

L'hyperthermie est une forme de développement récent du traitement des tumeurs osseuses où des particules ferromagnétiques soumises à un champ magnétique alternatif s'échauffent à des températures de l'ordre de 50°C et détruisent les cellules se trouvant dans leur environnement immédiat. Cette stratégie est potentiellement applicable aux tumeurs osseuses. L'objet de ce travail est d'approcher les mécanismes de séquestration tissulaire et cellulaire des nanoparticules qui commencent à être compris, dans l'optique d'en faire un outil thérapeutique. Dans la première partie, l'auteur fait quelques rappels ciblés sur l'épidémiologie, les aspects cliniques, diagnostiques et thérapeutiques des tumeurs squelettiques des carnivores domestiques. Il souligne l'insuffisance et les nombreux effets secondaires de différentes stratégies de traitement employées pour les tumeurs osseuses L'auteur aborde ensuite une étude bibliographique d'un concept thérapeutique original en oncologie qu'est l'hyperthermie. Suit l'exposé de l'étude expérimentale conduite dans le cadre de cette thèse, où la technologie de la microscopie électronique à transmission a par exemple été employée pour identifier les mécanismes de capture des nanoparticules par les cellules osseuses. La conclusion met en évidence toute la subtilité de cette approche thérapeutique et les champs d'investigation qu'elle ouvre

Influence de la composition chimique sur le comportement physique des germaniures ternaires appartenant ay système Ce-Ni-Ge. Détermination des structures magnétiques.

L'étude du système Ce-Ni-Ge a permis d'établir une corrélation étroite entre les propriétés physiques de ces germaniures (gouvernées par l'état fondamental du cérium résultant d'une compétition entre deux types d'interactions : effet Kondo et interaction magnétique de type RKKY) et leur composition chimique. Ainsi, au sein du diagramme de phase ternaire Ce-Ni-Ge, nous avons établi que: (i) les germaniures riches en Ni sont soit des composés de valence intermédiaire (CeNiGe, Ce3Ni4Ge4 et CeNi4.25Ge0.75), soit des systèmes "fermions lourds" (CeNi2Ge2 et CeNi9Ge4). Notons que pour la séquence CeNi2Ge2 -> Ce3Ni4Ge4 -> CeNiGe, le caractère de valence intermédiaire est de plus en plus marqué; (ii) les germaniures les plus riches en Ge (>50 % atomique) sont antiferromagnétiques à basse température; dans ces composés (Ce2NiGe6, Ce3Ni2Ge7, CeNiGe3, Ce2Ni3Ge5 et CeNiGe2) l'ion cérium est trivalent; les structures magnétiques de ces composés ont été déterminées par diffraction neutronique, la valeur du moment magnétique de Ce3+ (ainsi que la température de Néel) diminue des composés les plus riches en Ge aux composés les moins riches en Ge (propriété associée à la force de l'effet Kondo).The investigation of the Ce-Ni-Ge system have permitted to establish strong correlations between physical properties of these germanides (governed by the Ce-ground state, result of a competition between Kondo and RKKY magnetic interactions) and their chemical composition. In the same phase diagram, we have taken in evidence that : (i) germanides richer in Ni are intermediate valence systems (CeNiGe, Ce3Ni4Ge4 et CeNi4.25Ge0.75) or "Heavy Fermion" systems (CeNi2Ge2 et CeNi9Ge4). Moreover, in the sequence CeNi2Ge2 -> Ce3Ni4Ge4 -> CeNiGe, the intermediate valence character is more and more present; (ii) germanides richer in Ge (more than 50% Ge-atomic percentage) order antiferromagnetically with Néel temperature TN decreasing with Ge-content in compounds Ce2NiGe6 -> Ce3Ni2Ge7 -> CeNiGe3 -> Ce2Ni3Ge5 -> CeNiGe2. Their magnetic structures have been determined by neutron diffraction and the Ce3+-magnetic moment value obtained at 1.4 K decrease in the same time showing the strength of the Kondo effect

Contributions à la théorie des hétérostructures supraconducteur-ferromagnétique nanométriques

Dans la théorie BCS de la supraconductivité, l'état supraconducteur est caractérisé par l'appariement d'électrons d'impulsions et de spin opposés en paires de Cooper. Ceci explique à la fois que le champ magnétique et l'ordre ferromagnétique s'opposent à la supraconductivité. Cet antagonisme est source d'une physique riche dont nous présentons ici de nouveaux aspects. Nous démontrons dans cette thèse que l'effet de proximité, qui gouverne le comportement des structures hybrides formées d'un assemblage de couches supraconductrices et ferromagnétiques, est fortement modifié lorsque l'épaisseur des couches devient de l'ordre de la distance interatomique. En particulier, nous mettons en évidence théoriquement une phase supraconductrice nouvelle produite grâce à l'application d'un fort champ magnétique, ou la présence d'un fort champ d'échange ferromagnétique à basse température.Within the BCS theory of superconductivity, the superconducting ground state results from the pairing of opposed spins and momenta electrons into Cooper pairs. This explains why external magnetic fields and ferromagnetic ordering both affect superconducting properties. The competition between these two antagonistic order parameters gives rise to many interesting physical effects. Here we present several new phenomena related to this competition, and predicted in an exact microscopic formalism. We demonstrate that the superconducting/ferromagnetic (S/F) proximity effect, which is responsible for the peculiar behaviour of nanoscopic S/F multilayered heterostructures, is appreciably modified when the layers thickness reduces to the Fermi wavelenght. As the main result, we predict the appearance, at low temperatures, of a new superconducting phase resulting from the compensation between electronic interlayer tunnel coupling and a strong applied magnetic field

Fabrication de nanofibres de polymère et de céramique par électrofilature

L'électrofilature est un procédé de fabrication utilisant l'énergie électrique pour transformer une solution à base de polymère en fibres d'un diamètre nanométrique. La variation des paramètres expérimentaux est utilisée pour optimiser le diamètre des fibres de polymère et l'ajout de précurseurs métalliques dans la solution permet d'obtenir des fibres de céramique après calcination. Durant ce projet, les montages expérimentaux pour l'électrofilature de fibres de polymère, de céramique et de céramique magnétique ont été fabriqués. Des fibres de polyoxyde d'éthylène (POE) ont été produites et leur diamètre optimisé en modifiant les paramètres expérimentaux. Des fibres d'alumine (AI₂O₃) ont été produites en calcinant des fibres de poly vinyl pyrrolidone (PVP) et d'aluminium 2,4 pentanedionate (C₁₅H₂₁AIO₆). Enfin, des fibres de ferrure de nickel (NiFe₂O₄) et de cobalt (CoFe₂O₄) démontrant des caractéristiques superparamagnétiques ont été produites avec la même méthode de calcination. Les différents échantillons ont été analysés par microscopie électronique par balayage et spectroscopic dispersive en énergie

Etude par R.P.E des transitions de Spin de l'ion Fe2+ dansles critaux polymères ([Fe(NH2TRZ)3](NO3)2) et moléculaires ([Fe(PM-BIA)2(NCS)2] ; [Fe(PM-PEA)2(NCS)2])

La résonance paramagnétique électronique (R.P.E.) est étudiée dans trois composés à transition de spin contenant du Fe2+ : un composé polymère fer(II)-1,2,4-triazole [Fe(NH2trz)3](NO3)2 dopé au cuivre ou au manganèse et deux composés moléculaires [Fe(PM-PEA)2(NCS)2] et [Fe(PM-BiA)2(NCS)2] dopés au manganèse. Dans [Fe(NH2trz)3](NO3)2, on a pu mettre en évidence l'existence d'une distribution gaussienne de la différence d'énergie D entre les vallées inférieures et supérieures des surfaces d'énergie Jahn-Teller, due au désordre de structure cristalline. Pour [Fe(PM-PEA)2(NCS)2], la R.P.E. confirme que la transition de spin est accompagnée par une transformation de phase cristalline et a lieu avec la formation de domaines d'ions possédant un spin identique. Un programme de simulation des spectres de R.P.E. de l'ion Mn2+a été élaboré afin d'obtenir des données sur les modifications structurales au cours de la transition de spin. Les spectres de R.P.E. de [Fe(PM-BiA)2(NCS)2] en fonction de la température indiquent une coopérativité considérable entre les ions métalliques dans ce composé. Les variations en température du paramètre D de structure fine ont été liées aux transformations de la structure cristalline en utilisant le modèle de superposition de Newman perfectionné pour tenir compte des contributions de la dilatation thermique du réseau cristallin et des vibrations de celui-ci. Nous avons également élaboré sur ce composé la première étude de l'effet LIESST (Light-Induced Excited Spin State Trapping) par la R.P.E. avec une irradiation directe dans la cavité micro-onde. Les résultats obtenus correspondent exactement aux prédictions du modèle de superposition.Electron paramagnetic resonance (E.P.R.) is studied in three spin transition compounds containing Fe2+ : a polymeric compound Iron(II)-1,2,4-triazole [Fe(NH2trz)3](NO3)2 doped with copper or manganese and two molecular compounds [Fe(PM-PEA)2(NCS)2] and [Fe(PM-BiA)2(NCS)2] doped with manganese. In [Fe(NH2trz)3](NO3)2, we have demonstrated the existence of a Gaussian distribution of the energy difference D between the lowest and the higher valleys of the Jahn-Teller energy, due to a disorder of the crystal lattice. For the [Fe(PM-PEA)2(NCS)2] compound, the E.P.R. confirms that the spin transition is accompanied by a crystalline phase change and shows that the spin transition occurs in domains of like-spin ions. An original spectra simulation program has been elaborated in order to yield data on the structural modifications accompanying the spin transition. The temperature dependence of the E.P.R. spectra in the [Fe(PM-BiA)2(NCS)2] compound indicates a considerable cooperativity between the metal ions. The temperature dependence of the zero field splitting parameter D could be related to the crystal structure transformations using the phenomenological Newman superposition model amended for thermal expansion of the crystal lattice and lattice vibrations. On this compound we have carried out the first study of the LIESST (Light-Induced Excited Spin State Trapping) effect by E.P.R. with in situ irradiation in the microwave cavity. The obtained results fit perfectly well the superposition model predictions