rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Réseaux de nanofils ferromagnétiques
pour les dispositifs hyperfréquences
Chercheurs : David Ménard et Arthur Yelon
Collaborateur : C. Caloz (Polytechnique)
Étudiants : Fanny Béron, Louis-Philippe Carignan, Vincent Boucher, Christian Lacroix et Gabriel Monette
Contact : David Ménard; david.menard@polymtl.ca
Le contrôle des propriétés électromagnétiques des matériaux est fondamental pour un très
grand nombre de technologies. La fabrication de métamatériaux obtenus par l’incorporation de
nanostructures métalliques de géométrie particulière dans une matrice diélectrique permet de réaliser
un tel contrôle. Les nanostructures ferromagnétiques offrent de nouvelles possibilités pour l’ingénierie
de ces matériaux artificiels aux fréquences micro-ondes.
Le but de ce projet de recherche est de fabriquer des réseaux
de nanofils ferromagnétiques, de comprendre leurs propriétés
électromagnétiques et de développer de nouveaux dispositifs
hyperfréquences basés sur ces réseaux de fils. Les phénomènes
électromagnétiques dans la matière dépendent de l’impédance
caractéristique et des relations de dispersion du milieu,
elles-mêmes fonction des propriétés magnétiques et diélectriques
du matériau. L’inclusion d’éléments métalliques et ferromagnétiques
à l’intérieur d’une matrice diélectrique est le point
de départ de notre approche pour ajuster l’impédance et les
relations de dispersion du matériau.
Les réseaux de nanofils (diamètre : 20 et 170 nm; longueur :
plusieurs dizaines de microns; densité : 109 fils / cm 2 ) sont
obtenus par électrodéposition de métaux ferromagnétiques
à l’intérieur de membranes nanoporeuses d’alumine. Il est
possible de fabriquer des alliages de haute perméabilité de
CoFeB ainsi que des nanofils magnétorésistifs multicouches
en faisant alterner des disques magnétiques (Ni, Co ou CoFe)
et non magnétiques (Cu, Au).
Les relations de dispersion du matériau seront utilisées dans
le but d’obtenir des lignes de transmission CRLH (Composite
Right/Left Handed). Le concept de lignes CRLH, basé sur le
positionnement stratégique de condensateurs et d’inductances
dans un circuit micro-onde planaire, offre la possibilité
d’effectuer l’ingénierie des relations de dispersion aux
fréquences micro-ondes (voir Caloz et Itoh, Metamaterials for
high-frequency electronics, Special issue Blue-Sky Electronic
Technologies and their Implications for the Future, Proc. IEEE
93, 1744 (2005)).
L’utilisation d’inclusions métalliques ferromagnétiques,
convenablement structurées et positionnées dans une
matrice diélectrique, devrait mener au développement d’une
nouvelle génération de métamatériaux pour les dispositifs
hyperfréquences.
Les matériaux ferromagnétiques possèdent un riche spectre
d’excitations magnétiques (magnons) accordables aux
fréquences micro-ondes à l’aide d’un champ magnétique
externe. Ceci nous permet d’ajuster la perméabilité magnétique.
Les réponses magnétorésistive et magnétoinductive des
fils magnétiques, en combinaison avec la réponse plasmonique
des structures métalliques, sont utilisées pour contrôler la
permittivité électrique (c.-à-d. la réponse magnétodiélectrique)
du milieu effectif.
Structure CRLH sur un réseau de nanofils multicouches utilisé comme substrat.
Vue de dessus d’une membrane
nanoporeuse d’alumine.
Vue de profil d’un réseau de
nanofils après dissolution de la
membrane d’alumine.
Références
• “First-order reversal curves diagrams of ferromagnetic soft nanowire arrays”,
F. Béron, L. Clime, M. Ciureanu, D. Ménard, R.W. Cochrane et A. Yelon,
IEEE Trans. Magn. 42, 3060 (2006).
• “Magnetic anisotropy in arrays of Ni, CoFeB and Ni/Cu nanowires”,
L.-P. Carignan, C. Lacroix, A. Ouimet, M. Ciureanu, A. Yelon et D. Ménard,
J. Appl. Phys. 102, 023905 (2007).
• “Electromagnetic properties of ferromagnetic nanowire arrays”,
V. Boucher et D. Ménard,
J. Appl. Phys. 103, 07E720 (2008).
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