Etude du comportement magnétique et spectral de l’effet Faraday dans des oxydes métalliques dopés

Pour répondre au mieux aux besoins des télécommunications optiques et grâce à un intense effort d’intégration, la plupart des éléments d’une chaine de transmission optique sont désormais intégrables : laser, détecteurs, amplificateurs, multiplexeurs…[1-5]. Seuls les éléments non réciproques tels que les isolateurs, qui protègent les sources et les amplificateurs du retour inverse de la lumière demeurent sous forme discrète. En effet, les matériaux magnétiques à l’origine de la non-réciprocité de ces composants, nécessitent des températures de cristallisation de l’ordre de 800°C lorsqu’ils sont déposés sous forme de couches minces. Bien que des réalisations très intéressantes aient été démontrées, notamment avec des grenats de fer et d’yttrium et de fer substitués au cérium (Ce-YIG) [6-7], elles sont incompatibles avec les plateformes technologiques classiques sur silicium et encore moins sur verre. Ce verrou technologique d’intégration de matériaux magnéto-optiques est donc toujours d’actualité.

C’est ainsi que le laboratoire Hubert Curien a fait le choix depuis quelques années de réaliser un matériau composite, composé d’une matrice de silice dopée par des nanoparticules magnétiques de ferrite de cobalt (CoFe2O4). Ce matériau composite est obtenu grâce à un procédé sol-gel basse température (<100°C) et est parfaitement compatible avec les technologies d’optique intégrée sur verre [8]. Le choix de l’utilisation du ferrite de cobalt provient à la fois de ses performances magnéto-optiques et de ses propriétés magnétiques particulières quand il est sous forme de nanoparticules : température de blocage, dépendance en taille… Une étude effectuée avec une concentration volumique de 1% de nanoparticules de ferrite de cobalt a permis d’obtenir une valeur de rotation Faraday de 200°/cm à 1550 nm [8]. Pour rappel, un isolateur optique nécessite une rotation de polarisation non réciproque de 45°.

Malgré ces propriétés intéressantes, à la fois en terme de compatibilité technologique et d’amplitude d’effets non-réciproques, les pertes, inhérentes à tous matériaux magnéto-optiques, demeurent trop élevées pour envisager une mise œuvre à grande échelle. Ainsi, une étude plus poussée de l’impact sur les effets magnéto-optiques des propriétés structurales des nanoparticules est nécessaire afin d’évaluer les leviers d’améliorations possibles.

Généralités 

Nanoparticules magnétiques

Depuis quelques années, le monde des nanosciences dont une des branches traite des nanoparticules magnétiques occupe une très grande place dans la recherche scientifique. Associées à un liquide porteur comme par exemple l’eau, ces nanoparticules magnétiques forment des suspensions colloïdales, stables et homogènes [1]. Cette solution ainsi formée est appelée ferrofluide ou liquide magnétique. Ces nanoparticules magnétiques quasi-sphériques ont une taille nanométrique de l’ordre de 3 à 30 nm. A titre d’exemple, le cliché obtenu par Microscopie Electronique à Transmission (MET) (figure I-1) montre une image des nanoparticules magnétiques issues d’un ferrofluide séché. Ces nanoparticules magnétiques peuvent être considérées comme monodomaines donc comme de minuscules aimants permanents [2]. Lors de l’application d’un champ magnétique, celles-ci ont tendance à s’aligner le long des lignes de champ, ce qui confère aux liquides magnétiques des propriétés physiques intéressantes. Ces propriétés ont été mises à profit par le monde industriel et utilisées dans de nombreuses applications [3] : freins de camion [4], amortissement des vibrations dans les hauts parleurs [5], joints magnétiques [6] etc…

Synthèse et stabilité

L’élaboration des liquides magnétiques nécessite la synthèse des nanoparticules magnétiques et leurs dispersions dans un milieu donné. Actuellement dans la littérature, il existe deux méthodes de synthèse permettant l’obtention de ces objets nanométriques : la première méthode qui est stérique consiste à enrober les nanoparticules par un agent tensioactif ou surfactant pour éviter les interactions entre particules. Cette méthode dite « mécanique » a été découverte par R. Rosensweig en 1965 [8]. La deuxième méthode est basée sur une approche électrostatique. Dans cette méthode, les nanoparticules portent une charge électrique identique qui élimine la formation d’agrégats. Cette méthode dite « ionique», découverte par R. Massart en 1981 [9] est basée sur la synthèse chimique de nanoparticules magnétiques présentant la particularité d’être disséminées immédiatement dans l’eau. Les liquides magnétiques étudiés ici ont été mis au point par Sophie Neveu en suivant le protocole obtenu par R. Massart, au laboratoire PHENIX (ex-PECSA) de l’Université Pierre et Marie Curie.

Pour cette voie de synthèse, des ions Fe2+ et Fe3+ en solution aqueuse sont coprécipités sous forme d’oxyde de fer avec une transition en milieu alcalin. On obtient tout d’abord de la magnétite (Fe3O4) qui s’oxyde ensuite en maghémite (γ-Fe2O3) qui est beaucoup plus stable. La synthèse de ferrite de cobalt (CoFe2O4) se fait par le mélange des ions Fe3+ et Co2+. Ces synthèses seront détaillées dans le chapitre III. Pour pouvoir réaliser cette synthèse, il est alors essentiel de s’assurer de la compatibilité entre le liquide porteur et le matériau magnétique dispersé afin d’obtenir une stabilité chimique dans le temps. Il faut aussi tenir compte de toutes les forces qui s’exercent sur les grains en suspension. Ces forces sont issues de différentes énergies :
– énergie gravitationnelle,
– énergie d’attraction magnétique,
– énergie d’attraction ou de répulsion, électrique
– énergie d’agitation thermique.

La stabilité de la suspension colloïdale d’un liquide magnétique est favorisée par l’énergie d’agitation thermique qui compense l’effet gravitationnel. Le diamètre des particules doit être alors suffisamment faible pour que l’énergie d’agitation thermique (kB.T, kB constante de Boltzmann et T la température) soit supérieure à l’énergie gravitationnelle, ce qui justifie des tailles des nanoparticules de l’ordre du nanomètre [10]. Différents liquides magnétiques (à base de ferrites de cobalt ou Maghémite) [1] étudiés dans ce travail peuvent être ainsi synthétisés par différentes voies : par voie de Co-précipitation [11 − 12] ou par voie polyol [13] .

Comportement magnétique d’une nanoparticule

L’orientation du moment magnétique dans la particule n’est pas aléatoire. Il y a toujours une orientation privilégiée appelée axe de facile aimantation. Elle découle d’une anisotropie magnétique pouvant avoir plusieurs origines : magnétocristalline, de forme ou de surface [18]. Pour simplifier les choses dans cette partie, nous n’allons pas détailler ces différentes énergies qui interviennent dans ces particules. Par contre, on définit l’intensité de cette énergie d’anisotropie Ea comme étant une barrière à franchir par le moment magnétique pour changer de direction le long de l’axe. Cette énergie d’anisotropie varie en fonction du volume et de la surface de la particule : Ea = KV.V + KS.S [10] (KV et KS : constantes dépendantes du matériau) :
– Le premier terme KV.V est prépondérant pour le ferrite de cobalt
– Le deuxième terme KS.S est prépondérant pour la Maghémite

Cette énergie varie ainsi selon le matériau en D2 ou en D3 , D étant le diamètre de la nanoparticule. Le comportement du moment magnétique dépend alors de cette énergie d’anisotropie et de l’énergie d’agitation thermique (kB.T). On distingue trois types de comportements :
– Si Ea≫ kB.T: le moment magnétique est bloqué dans la direction de facile aimantation : c’est un dipôle rigide (comme les particules ferromagnétiques dont les ferrites de cobalt) [19]
– Si Ea≪ kB.T: l’agitation thermique l’emporte et le moment magnétique n’est pas lié à son axe de facile aimantation (la particule est dite super paramagnétique)
– Si Ea ≈ kB.T: le moment magnétique s’oriente selon son axe de facile aimantation mais sa direction peut fluctuer : c’est un dipôle mou (comme la Maghémite) .

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
REFERENCES
CHAPITRE I : NANOPARTICULES MAGNETIQUES ET EFFETS MAGNETO-OPTIQUES
I.1 Généralités
I.1.1 Nanoparticules magnétiques
I.1.2 Synthèse et stabilité
I.1.3 Distribution en taille
I.2 Propriétés magnétiques
I.2.1 Comportement magnétique d’une nanoparticule
I.2.2 Aimantation d’un liquide magnétique
I.2.3 Aimantation des nanoparticules bloquées
I.3 Effets magnéto-optiques et optiques
I.3.1 Interaction lumière matériau aimanté
I.3.2 Rotation Faraday d’une assemblée de nanoparticules
I.3.3 Comportement spectral
I.3.4 Transmittance et facteur de mérite
I.4 Contexte et objectifs de la thèse
I.4.1 Composants intégrés magnéto-optiques
I.4.2 Démarche composite
I.4.3 Objectifs
I.5 Conclusion
REFERENCES
CHAPITRE II : NANOPARTICULES DE FERRITE : Constitution et propriétés physiques
II.1 Structure cristalline
II.2 Aimantation
II.2.1 Ordre magnétique dans les ferrites spinelles
II.2.2 Anisotropie magnétique
II.2.3 Cycle d’hystérésis
II.3 Origine microscopique de l’effet Faraday
II.3.1 Transitions individuelles
II.3.2 Transitions du ferrite de cobalt
II.4 Conclusion
REFERENCES
CHAPITRE III : PROCEDE SOL-GEL ET CARACTERISATIONS
III.1 Procédé sol-gel
III.1.1 Principe du procédé sol-gel
III.1.2 Synthèse du sol
III.1.3 Dopage du sol par des nanoparticules magnétiques
III.1.4 Nature et préparation des substrats
III.1.5 Elaboration des matériaux composites
III.2 Caractérisations
III.2.1 Caractérisation magnéto-optique : banc polarimétrique
III.2.2 Spectroscopie dichroïque magnétique circulaire de rayons X (XMCD)
III.3 Conclusion
REFERENCES
CHAPITRE IV : COMPORTEMENT MAGNETIQUE ET SPECTRAL DE L’EFFET FARADAY : Résultats expérimentaux
IV.1 Effet Faraday
IV.1.1 Rappel
IV.1.2 Protocole
IV.1.3 Comparaison entre ferrite de cobalt (CoFe2O4) et maghémite (-Fe2O3)
IV.2 Comportement magnétique
IV.2.1 Influence de la taille
IV.2.2 Influence de la température
IV.2.3 Orientation magnétique
IV.3 Comportement spectral
IV.3.1 Rotation et Facteur de mérite à 1550 nm
IV.3.2 Analyse microscopique
IV.4 Bilan –Perspectives
REFERENCES
CONCLUSION GÉNÉRALE

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