Outil de caractérisation des propriétés magnétiques à l’échelle nanométrique – CARAMEL
Outil de caractérisation des propriétés magnétiques à l’échelle nanométrique
L'objectif du projet est de développer un nouvel outil de caractérisation des propriétés magnétiques de la surface des matériaux à l'échelle nanométrique en combinant des capteurs magnétorésistifs (MR) très sensibles et la microscopie à force atomique. Cet outil aura trois principales applications innovantes : la nanométrologie magnétique, l'imagerie de la susceptibilité magnétique et la microimagerie de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN).
un microscope performant et polyvalent
L'AFM permet de contrôler la hauteur de la pointe et son déplacement tandis que le capteur magnétique intégré dans la pointe de l'AFM mesure le champ magnétique à chaque position. Cette combinaison est la partie originale de ce projet qui conduira à un nouvel outil ouvrant de nouvelles perspectives pour la caractérisation et l'analyse des matériaux, notamment en ce qui concerne le suivi in situ, les essais non destructifs et la nanométrologie.<br />Le premier objectif du projet est de développer un capteur RM intégré dans le cantilever de l'AFM. Pour atteindre cet objectif, trois procédés seront développés : les nano-GMR, les nano-TMR et le capteur RM intégré dans le cantilever flexible. La caractérisation des capteurs produits sera ensuite effectuée. <br /><br />Le deuxième objectif est de développer un microscope MR polyvalent capable de mesurer la topologie, les champs DC et AC, avec une résolution de plusieurs centaines de nm et une détectivité comprise entre le nT et le pT/vHz. La tâche consistera à construire ce microscope, à intégrer le cantilever modifié avec les capteurs MR optimisés fabriqués au cours de la tâche 1 et à effectuer des tests sur des échantillons calibrés. Ensuite, des modules seront ajoutés au microscope pour créer des fonctionnalités nouvelles et originales, vers la microscopie à sonde locale multifonctionnelle : la microscopie de susceptibilité magnétique et la cartographie RMN locale. L'objectif final sera de valider les deux fonctionnalités, la susceptibilité et la RMN sur des systèmes modèles, ce qui permettra également de démontrer les capacités de la technique.
Le process de fabrication des nanoGMRs et des bras de levier avec capteur GMR intégré ont été développés
Durant cette première partie de l’ANR, plusieurs études d’optimisation des capteurs GMRs ont été faites (Julien APL 2019 et Torrejon PRA 2020). Le process de fabrication des nanoGMRs et des bras de levier avec capteur GMR intégré ont été développés et ont permis la caractérisation de leur performance. Ces pointes ont ensuite été intégrées dans le microscope et l’électronique développée a permis l’acquisition des images topographique et magnétique du champ de fuite émis par un échantillon de calibration (boucle de courant). Des simulations ont aussi été réalisées et sont en très bon accord avec les mesures.
Concernant la tâche qui consiste à utiliser les capteurs MRs afin de réaliser de la RMN à l’échelle locale. Le setup a été développé et des capteurs microniques GMRs fabriqués. Le champ statique nécessaire pour la RMN sort les couches magnétiques de la GMR hors du plan ce qui induit une baisse de sensibilité et une inhomogénéité de champ qui rend très difficile la mesure RMN à l’échelle locale. Ce champ de fuite a été caractérisé par MFM et VSM. Différentes techniques de réduction de ce champ de fuite sont étudiées.
Le développement du setup pour permettre la mesure de la susceptibilité magnétique est en cours et les premières images sont attendues pour septembre 2020. Un travail sur les outils de simulation de cette susceptibilité est aussi en cours.
Le but maintenant est de fiabiliser le process de fabrication des pointes et d’essayer d’autres design (2D, gradiomètre, amélioration de la résolution latérale) afin d’améliorer le microscope et de pouvoir tester/analyser les échantillons d’intérêts. Un nouveau microscope a été acheté dans le cadre de cette ANR et va permettre une utilisation plus facile et versatile. Le process de fabrication de nanoTMRs va aussi être développé dans le but d’améliorer la sensibilité et la résolution latérale du microscope.
1. Multiple Giant-Magnetoresistance Sensors Controlled by Additive Dipolar Coupling, J. Torrejon, A. Solignac, C. Chopin, J. Moulin, A. Doll, E. Paul, C. Fermon, and M. Pannetier-Lecoeur, Phys. Rev. Applied 13, 034031 – (2020). arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1911/1911.08592.pdf
2. J. Moulin, A. Doll, E. Paul, M. Pannetier-Lecoeur, C. Fermon, N. Sergeeva-Chollet, and A. Solignac, “Optimizing magnetoresistive sensor signal-to-noise via pinning field tuning”, Appl. Phys. Lett. 115, 122406 (2019); doi.org/10.1063/1.5108604; hal.archives-ouvertes.fr/hal-02316909
3. A. Doll; S. Lecurieux-Lafayette; J. Moulin; C. Chopin; G. Jasmin-Lebras; M. Pannetier-Lecoeur; A. Solignac; C. Fermon, “Spintronic sensors for NMR and MRI”, Proceedings Volume 11090, Spintronics XII; 110903M (2019) doi.org/10.1117/12.2529246, hal.archives-ouvertes.fr/hal-02316952/
Le projet a pour but de développer un outil unique de caractérisation des propriétés magnétiques de la surface de matériaux et à
l’échelle nanométrique en combinant des capteurs magnetorésistifs nanométriques très sensibles et un microscope à force
atomique. Cet outil aura trois grandes applications innovantes : la nanométrologie magnétique, l’imagerie de la susceptibilité et
l’imagerie de spectroscopie RMN, qui auront potentiellement des retombées pour la caractérisation non destructive de matériaux et
l’étude de structures magnétiques nanométriques notamment.
Coordination du projet
Aurélie SOLIGNAC (Service de physique de l'état condensé)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
SPEC Service de physique de l'état condensé
Aide de l'ANR 301 460 euros
Début et durée du projet scientifique :
décembre 2018
- 36 Mois
