Aimants intégrés submillimétriques pour dispositifs portables – POMADE

La fabrication et l'intégration de matériaux magnétiques de taille submillimétrique dans des dispositifs portatifs revêtent une importance majeure dans les domaines de la télécommunication, des transports ou du biomédical, mais restent extrêmement difficiles. Par exemple, le développement de micro-sources d'énergie renouvelables, fort utiles pour les systèmes embarqués de petite taille, tels que les implants biomédicaux et les réseaux de capteurs sans fil (dispositifs IoT), n'est toujours pas atteint. La principale limitation, invoquée encore dans une revue de 2019, provient de l’absence d’une filière technologique permettant l’intégration d’aimants permanents performants dans des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS). Les systèmes intégrés et MEMS reposent sur des procédés de microélectronique multi-étapes comprenant de l’implantation, des recuits, des métallisations ou encore des gravures réactives. L’intégration d'aimants permanents doit donc s’insérer dans ce procédé sans en altérer l’architecture complexe.
L'état de l’art montre que les champs générés par les aimants actuels sont limités (contraintes techniques ou de matériaux). Il existe donc un besoin pour un procédé compatible avec les procédés de microélectronique et permettant de préparer des aimants intégrés de taille submillimétrique.
Le projet POMADE vise à développer de nouveaux aimants nanostructurés (i) à l’échelle submillimétrique, (ii) déposés localement et (iii) intégrés dans des dispositifs fonctionnels, ce, en tirant parti des approches les plus prometteuses développées jusqu’à présent: l’assemblage dense de nanobâtonnets de cobalt (NBs) qui permettent d’atteindre de fortes épaisseurs et une fraction magnétique volumique élevée, et la pulvérisation cathodique à fort flux qui conduit à des films de NdFeB entièrement denses et de tailles latérales très bien maîtrisées.
Les deux approches seront optimisées pour (i) atteindre des aimants 3D submillimétriques avec un contrôle spécifique des dimensions latérales pour les assemblées denses de NBs de Co et de l’épaisseur, jusqu’à 100 µm, pour les films de NdFeB, et (ii) répondre au critère d’intégration, à savoir un procédé compatible avec les technologies 4-pouces et présentant une stabilité chimique, thermique et mécanique accrue. Les objectifs finaux sont la fabrication d’aimants submillimétriques performants et leur intégration dans un MEMS au travers d’un procédé technologique totalement compatible.
Le projet POMADE fournira des résultats scientifiques sur: i) l’assemblage contrôlé de nanoparticules magnétiques dures basé sur la magnétophorèse et les forces capillaires; ii) la relaxation des contraintes et des déformations dans des couches épaisses obtenue par pulvérisation. Ces aimants hautes performances seront finalement intégrés dans un dispositif MEMS de récupération d'énergie.
La nanostructuration des aimants à l'aide de processus compatibles MEMS soulève des problèmes de fabrication, de caractérisation et d'intégration qui seront abordés au travers de trois tâches:
- la fabrication d'aimants submillimétriques épais utilisant des films de NdFeB et des assemblées de NBs de Co.
- La caractérisation structurale et magnétique avancée des micro-aimants avec une résolution spatiale élevée.
- L'intégration complète dans un procédé de fabrication MEMS conduisant à la réalisation d'un système de récupération d’énergie efficace.
Le projet POMADE est un projet multidisciplinaire qui combine synthèse physique et chimique de nanomatériaux, assemblage physico-chimique, nanomagnétisme et développement technologique. Les compétences requises sont réunies au sein du consortium constitué de l’Institut Néel, du LAAS, de l’IMFT et du LPCNO.
En raison de l'intérêt économique important d’aimants combinant intégration et performances et de l'originalité du projet POMADE, une stratégie de valorisation, déjà lancée avec succès par le récent brevet sur le procédé de fabrication des aimants à base de NBs de Co, sera déployée.