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Les matériaux magnétiques hyperfréquences : des ferrites ... - CEA

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<strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong><strong>hyperfréquences</strong>: <strong>des</strong> <strong>ferrites</strong>aux méta<strong>matériaux</strong><strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> doux et les métaux ferro<strong>magnétiques</strong> sont largement utilisésdans les applications <strong>hyperfréquences</strong>. Sans les supplanter, les méta<strong>matériaux</strong>, apparusplus récemment, peuvent se combiner avec eux pour en augmenter les potentialités.Deux autres systèmes, les couches minces et les microfils <strong>magnétiques</strong>, sont égalementremarquables pour leurs propriétés <strong>hyperfréquences</strong>.Absorbants radarpyramidaux utilisés dansla chambre anéchoïque duCentre d’étu<strong>des</strong> scientifiqueset techniques d’Aquitaine(<strong>CEA</strong>/Cesta) au Barp, près deBordeaux. Des <strong>ferrites</strong>, quiabsorbent le rayonnementélectromagnétiquedans certaines gammesde fréquences, peuvent êtreplacés sous les absorbantspyramidaux en mousse pouren renforcer le caractèreabsorbant.Philippe Labèguerie/<strong>CEA</strong><strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> sont depuis longtempsutilisés pour <strong>des</strong> applications <strong>hyperfréquences</strong>. Desinducteurs, <strong>des</strong> noyaux d’antennes et <strong>des</strong> filtres en <strong>ferrites</strong>ont couramment employés. Pour ces applicationsinductives, la perméabilité hyperfréquence µ(f) est unegrandeur physique fondamentale qui permet d’apprécierles performances du matériau. La perméabilitédécrit la réponse de l’induction b à un champ magnétiqueh oscillant à une fréquence f sous la forme:b = µ(f) · µ0 · h, µ0 étant la perméabilité du vide. Cesont donc <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> de perméabilité µ(f) élevée,permettant de générer une induction importante àpartir du champ créé par un courant, qui sont utilisés.Parmi les différentes classes de <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>,ce sont les <strong>matériaux</strong> doux qui présentent lesperméabilités les plus élevées. Au contraire <strong>des</strong> aimantspermanents, leur aimantation répond très bien à unpetit champ magnétique extérieur.Ces <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> sont aussi utilisés pour<strong>des</strong> applications électro<strong>magnétiques</strong>. Alors que pour<strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> usuels, la propagation, la réflexion et latransmission à une interface dépendent d’un seul paramètre,le comportement <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>dépend de deux paramètres indépendants, la permittivitéet la perméabilité. Ce degré de liberté supplémentairepermet d’obtenir <strong>des</strong> propriétés inaccessiblesavec un matériau diélectrique. À ce titre, les <strong>matériaux</strong><strong>magnétiques</strong> sont utilisés comme substrats d’antennes,absorbants radars, filtres accordables, etc.Enfin, lorsque ces <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> sont aimantés,ils deviennent non réciproques, c’est-à-dire que leurscaractéristiques dépendent du sens de propagation del’onde qui les traverse. Cette non-réciprocité est miseà profit pour réaliser <strong>des</strong> circulateurs et <strong>des</strong> isolateursemployés dans les radars, les relais de téléphonie mobile,etc. <strong>Les</strong> <strong>ferrites</strong> et les grenats demeurent <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong>de choix pour ces applications. <strong>Les</strong> premiers sont utilisésdepuis fort longtemps comme <strong>matériaux</strong> <strong>hyperfréquences</strong>.Au <strong>CEA</strong>, Louis Néel a joué un rôle majeurdans la connaissance de ces <strong>matériaux</strong>. Plus récemment,les métaux ferro<strong>magnétiques</strong> ont connu undéveloppement important pour ces applications. Enfin,depuis moins d’une décennie, les méta<strong>matériaux</strong> constituentune approche totalement nouvelle pour synthétiser<strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> présentant <strong>des</strong> réponses <strong>magnétiques</strong><strong>hyperfréquences</strong> originales.<strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> ferro<strong>magnétiques</strong>à haute perméabilitéDès la fin <strong>des</strong> années 1940, il est apparu qu’il existaitun compromis entre le niveau de perméabilité hyperfréquenceaccessible et la fréquence maximale à laquelleon pouvait obtenir ce niveau. Selon la loi de Snoek, leLouis Néel, prix Nobelde physique 1970, a jouéun rôle majeur dans laconnaissance <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong><strong>magnétiques</strong>. Acteurprincipal du développementde la science grenobloisedans la deuxième moitiédu XX e siècle, il a notammentété à l’origine de la créationdu <strong>CEA</strong> Grenoble.<strong>CEA</strong>CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008 19


Aimants et <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>La souplesse <strong>des</strong> méta<strong>matériaux</strong>Quelques éléments enferrite pour applicationshautes fréquencescouramment utilisés dans<strong>des</strong> boîtiers électroniquesou radio: noyauxd’inducteurs (à gauche),filtre à ferrite (à droite) etnoyau d’antenne (en bas).produit de ces deux grandeurs est proportionnel à l’aimantationà saturation. Cette relation établit clairementl’intérêt de travailler avec <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> ayantune aimantation à saturation supérieure à celle <strong>des</strong><strong>ferrites</strong> : les métaux et alliages ferro<strong>magnétiques</strong>.Cependant, ces derniers sont très conducteurs. <strong>Les</strong>on<strong>des</strong> <strong>hyperfréquences</strong> ne pénètrent dans les conducteursque sur une épaisseur extrêmement réduite, appeléeprofondeur de peau. Pour utiliser ces <strong>matériaux</strong> àhaute fréquence, il est donc nécessaire d’en disposersous forme de couches minces, de fils ou decomposites comportant <strong>des</strong> ferro<strong>magnétiques</strong>finement divisés. Des travaux menés au <strong>CEA</strong> encollaboration avec l’université Paris VII ontpermis la synthèse de poudres de dimensionssubmicroniques aux propriétés remarquables(figure 1). De par leur taille inférieure à l’épaisseurde peau, ces poudres permettent d’interagirau maximum avec le champ électromagnétiquehyperfréquence. Du fait de leur faibledispersion granulométrique, il a pu être observé surces poudres un comportement remarquable de la perméabilité,associée à une quantification <strong>des</strong> mo<strong>des</strong>électro<strong>magnétiques</strong> excités dans chaque sphère. <strong>Les</strong>couches minces et les microfils <strong>magnétiques</strong> constituentdeux autres systèmes remarquables par leurs propriétés<strong>hyperfréquences</strong> (voir respectivement <strong>Les</strong> couches minces<strong>magnétiques</strong> à haute perméabilité, p. 21 et <strong>Les</strong> microfilsferro<strong>magnétiques</strong>, p. 24).Si le caractère conducteur <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> influencefortement leur réponse hyperfréquence, et ce demanière néfaste dans le cas <strong>des</strong> métaux ferro<strong>magnétiques</strong>,il est en revanche possible, en concevanthabilement <strong>des</strong> motifs conducteurs, de créer uneréponse magnétique à haute fréquence, même enl’absence de tout constituant magnétique. Il s’agitalors de méta<strong>matériaux</strong>.<strong>CEA</strong><strong>CEA</strong>10 nmFigure 2.Métamatériau, constituéde motifs de cuivrepériodique gravés surun support de circuitimprimé, adaptéà un fonctionnementen ligne coaxial.Un tel matériau, dont la figure 2 montre un exemplegravé sur un support de circuit imprimé, présente unpic de perméabilité autour de 1,5 gigahertz (GHz),bien qu’il ne comporte aucun constituant magnétique!<strong>Les</strong> méta<strong>matériaux</strong> ont engendré un élan d’intérêtexceptionnel dans la communauté de l’électromagnétismedepuis leur apparition, il y a moins dedix ans. Ils autorisent une grande souplesse dans laconception et la réalisation de <strong>matériaux</strong> présentantdeux paramètres électro<strong>magnétiques</strong> indépendants.Profitant de cette latitude de conception, différentstypes de lentilles non limitées par les aberrations dediffraction ont été proposés. Plus récemment, la réalisationde “capes d’invisibilité” a été présentée.Il est aussi possible de profiter de l’énorme potentield’intégration entre l’électronique et ces motifs de cuivrepour réaliser <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> “commandables”.Au centre <strong>CEA</strong> duRipault (Indre-et-Loire), l’équipedu Département <strong>matériaux</strong> l’adémontré avec la premièreréalisation d’un matériaudont la perméabilité hyperfréquenceest accordablepar une tension.<strong>Les</strong> méta<strong>matériaux</strong> permettentde synthétiser <strong>des</strong>propriétés inaccessibles aux<strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>conventionnels. Des <strong>matériaux</strong><strong>magnétiques</strong> artificielsfonctionnant dans ledomaine <strong>des</strong> fréquencesvisibles ont été réalisés.Inversement, les chercheursdu <strong>CEA</strong> ont aussi montréque les méta<strong>matériaux</strong> nepermettent pas d’atteindre<strong>des</strong> performances largesban<strong>des</strong> comparables à celle<strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> ferro<strong>magnétiques</strong>, dès lors que l’on sesitue à <strong>des</strong> fréquences inférieures à une dizaine degigahertz. En combinant <strong>des</strong> motifs de cuivre et <strong>des</strong><strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> conventionnels, il est possiblede combiner les avantages associés aux deux approches: <strong>des</strong> niveaux de perméabilité élevés et une ingénierierelativement aisée.Figure 1.Vue au microscopeélectronique à balayaged’une poudre deFe 0,13 [Co 80 Ni 20 ] 0,87submicronique préparéepar le procédé polyol.200 nm<strong>CEA</strong>/DAMDes perspectives remarquables<strong>Les</strong> métaux ferro<strong>magnétiques</strong> présentent donc <strong>des</strong>avantages qui leur permettent de supplanter les <strong>ferrites</strong>dans un certain nombre d’applications. Apparusplus récemment, les méta<strong>matériaux</strong> constituent uneapproche originale pour obtenir <strong>des</strong> propriétés<strong>magnétiques</strong> <strong>hyperfréquences</strong> et ouvrent la voie à<strong>des</strong> perspectives remarquables. S’ils ne peuvent pasremplacer les <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong> conventionnels,ils peuvent se combiner avec eux pour en augmenterles potentialités.> Olivier AcherDirection <strong>des</strong> applications militaires<strong>CEA</strong> Centre du Ripault20CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008


<strong>Les</strong> couches minces <strong>magnétiques</strong>à haute perméabilité<strong>Les</strong> couches minces <strong>magnétiques</strong> illustrent parfaitement le rapprochement <strong>des</strong>disciplines propres aux <strong>matériaux</strong>, aux composants et aux systèmes en réduisantconsidérablement la distance entre physiciens et concepteurs d’applications.<strong>Les</strong> couches minces <strong>magnétiques</strong> entrent dans <strong>des</strong>applications <strong>hyperfréquences</strong> aussi diverses queles têtes pour l’enregistrement magnétique et la lecturede disques durs, les dispositifs à électronique <strong>des</strong>pin (voir Stockage de l’information : les acquis et lespromesses du nanomagnétisme et de la spintronique,p. 62), les filtres d’on<strong>des</strong> (1) , les inductances planairespour la téléphonie mobile ou <strong>des</strong> systèmes de marquageantivol. L’ingénierie <strong>des</strong> couches minces, parla mise au point de nouveaux <strong>matériaux</strong> homogènesou hétérogènes permet d’adapter leurs propriétésaux applications, les principaux défis étant deréaliser <strong>des</strong> dispositifs “agiles en fréquence” et/ouayant <strong>des</strong> fréquences de fonctionnement élevées. Le<strong>CEA</strong> se place aujourd’hui au meilleur niveau del’état de l’art mondial du domaine avec une pluridisciplinaritéforte : de la physique fondamentale àl’applicatif technologique, en passant par l’instrumentationhyperfréquence. Avec deux grands objectifs:surmonter les contraintes liées aux faibles dimensions<strong>des</strong> dispositifs et répondre aux nouvellesexigences <strong>des</strong> applications en termes de fréquences.Surmonter les limitations dimensionnelles<strong>Les</strong> couches ferro<strong>magnétiques</strong> réalisées ont vocationà s’insérer dans <strong>des</strong> dispositifs de petites dimensionsoù la matière à proximité <strong>des</strong> bords du film ne devientplus négligeable par rapport à celle présente au cœurdu dispositif. Il convient alors de caractériser la réponsedu film dans ces zones éventuellement perturbées dontles propriétés <strong>magnétiques</strong> s’écartent du comportementgyromagnétique d’une couche mince de dimensionssupposées infinies. Ainsi, pour diminuer sonénergie propre, <strong>des</strong> couches micrométriques adoptent<strong>des</strong> structures en domaines <strong>magnétiques</strong> qui, selonles conditions d’excitation, vont donner lieu à une(1) Filtre d’on<strong>des</strong> : dispositif permettant de ne laissertraverser qu’une partie <strong>des</strong> on<strong>des</strong> électro<strong>magnétiques</strong>,en fonction de leur longueur d’onde, qui l’atteignent.C. Delaveaud/<strong>CEA</strong>-Léti/DCISbaisse globale <strong>des</strong> niveaux avec la réduction de taillede l’échantillon et l’apparition de pics de résonancesupplémentaires à <strong>des</strong> fréquences inférieures à cellesdu pic principal. Ceci a été observé dans <strong>des</strong> microstructuresd’alliages polycristallins comme le NiFepour les pièces polaires <strong>des</strong> têtes de lecture ou lesnoyaux de micro-inductances où les parois constituantles domaines de fermeture latéraux (à 90° de ladirection principale d’aimantation) entrent en résonancebien avant le phénomène gyromagnétique principal.<strong>Les</strong> alliages amorphes de CoZr ou de CoFeSiBadoptent également une structure fortement inhomogènedite en aiguille, formée d’alternance de domainesà aimantation antiparallèle de forme triangulaireimbriqués les uns dans les autres (figure 1). Dans lesdeux cas, les travaux menés au <strong>CEA</strong> ont montré quele nombre et la position de ces “pics secondaires ” sontfonction de l’épaisseur déposée et <strong>des</strong> principales caractéristiques<strong>magnétiques</strong> de la couche (aimantation,anisotropie et constante d’échange).Antenne bi-filaireimprimée (2 GHz)adaptée à l’utilisationde couches mincesferro<strong>magnétiques</strong>radiofréquences.0,2 μm0,5 μm200 μm200 μmperméabilité μ0 10000 10002000 0 10000,95 μm2000 0 1000fréquence (MHz)20001,9 μm2000200 μm200 μmFigure 1.Images en microscopieKerr de domainesen aiguilles et spectresde perméabilité associéspour <strong>des</strong> couchesde CoZr d’épaisseurscroissantes de 0,2 μmà 1,9 μm.CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008 21


Aimants et <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>Figure 2.Configuration <strong>magnétiques</strong>tatique d’une couche endomaines en bande (a),mo<strong>des</strong> de susceptibilité(b) et pics de résonanceassociés (c).δh rf correspond au“champ magnétiqued’excitationhyperfréquence”(h symbole du champmagnétique,δ pour “faible” etrf pour “alternatif”).Figure 3.Illustrations d’unempilement AF/F/AF(antiferromagnétique/ferromagnétique/antiferromagnétique),réplicable en itérationsmultiples, et spectresde perméabilitéexpérimentauxet théoriques associés.NiCrNiCr20 nmCoFeNiMnNiMnSi0 2bUne autre limitation dimensionnelle est l’épaisseurdéposée. En deçà de l’épaisseur de peau, <strong>des</strong> modificationsde la structure magnétique de la couche peuventfaire disparaître le mode uniforme gyromagnétiquerecherché. En effet au cours du dépôt, de par <strong>des</strong>effets de contraintes ou de gradients de porosité, uneanisotropie perpendiculaire à la couche se développepour conduire la couche à adopter une structuremagnétique dite en “domaines en bande” avec unecomposante de l’aimantation de la couche hors plan.La réponse hyperfréquence de cette structure est trèschaotique et constituée de quelques pics très étroits.Ce phénomène a été étudié dans le cadre d’une collaborationavec Dassault Aviation. Une approche numériquea permis de rendre compte de ces spectres avecun excellent accord entre résultats théoriques et expérimentaux(figure 2).Application aux inductances planairesUne <strong>des</strong> contraintes fortes en vue de la miniaturisation<strong>des</strong> circuits RF (CMOS ou BiCMOS) est l’intégration<strong>des</strong> inductances qui comptent parmi les composantspassifs les plus consommateurs en termes <strong>des</strong>urface <strong>des</strong> puces. L’intégration de films <strong>magnétiques</strong>à haute perméabilité sur silicium est une voie prometteuse.<strong>Les</strong> films de CoZr et de FeCoSiB amorphesdéposés au Ripault ont été intégrés par le <strong>CEA</strong>-Létidans une filière d’inductance RF à haut facteur dequalité. Ces travaux ont pour la toute première foisdémontré un potentiel de réduction effectif de l’ordrede 10 à 15 % de la surface <strong>des</strong> selfs, à caractéristiquesélectriques équivalentes. Ce travail pionnier enla matière a ouvert les voies à un développement plusspécifique de films <strong>magnétiques</strong> pour la RF utilisantperméabilité relative(partie réelle μ’ et partie imaginaire μ’’)a1 23 4150100500-50-10005 10 15 20 25 30fréquence (GHz)μ’ mesuréeμ’ théoriqueμ’’mesuréeμ’’théoriquecperméabilité imaginaire201004112x2z043yh rfx24z 500 10 20 30fréquence (GHz)<strong>des</strong> techniques de dépôt plus conventionnelles pourla microélectronique (figure 3), en partenariat avecSTMicroelectronics à Crolles.<strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> pour applications hautesfréquences<strong>Les</strong> films nanocristallins à base de FeNet FeCoNPour répondre à un besoin croissant de <strong>matériaux</strong> àforte perméabilité à <strong>des</strong> fréquences de fonctionnementde plus en plus élevées, de nouveaux <strong>matériaux</strong>en structure laminée garantissant une utilisation àtrès haute fréquence sans limitation majeure due àl’effet de peau ont été étudiés. La motivation premièredu développement de films ferro<strong>magnétiques</strong> douxà base de Fe et de FeCo est liée à leur aimantation àsaturation environ 20 % à 40 % plus grande, qui peutconduire à une perméabilité intrinsèque plus élevéeà plus haute fréquence. Il a été montré que les filmsde FeXN et plus récemment de FeCoXN (où X est depréférence le tantale ou le hafnium) peuvent présenter<strong>des</strong> propriétés dynamiques remarquables avec <strong>des</strong>constantes d’amortissement exceptionnellement faiblesà plusieurs gigahertz. Grâce à une microstructurecristalline très particulière composée de grains(< 5 nm) très finement dispersés dans une matriceamorphe, ces <strong>matériaux</strong> allient <strong>des</strong> résistivités élevées(typiquement 100 µΩ · cm) avec <strong>des</strong> aimantationsà saturation fortes au-delà de 1 tesla. Cette combinaisonremarquable permet notamment uneintégration technologique du matériau magnétiqueau plus près de l’élément inductif en minimisant lerisque de capacités parasites nuisibles au fonctionnementà haute fréquence <strong>des</strong> inductances spirales.L’évaluation numérique du gain en densité d’inductancesurfacique indique <strong>des</strong> valeurs record dans cesconditions, supérieures à 100 %.<strong>Les</strong> multicouchesferro<strong>magnétiques</strong>/antiferro<strong>magnétiques</strong>Le couplage d’échange interfacial avec un matériauantiferromagnétique se traduit par le décalage ducycle d’hystérésis du matériau ferromagnétique versune valeur de champ qui peut être très élevée. Cettepropriété est à la base <strong>des</strong> dispositifs magnétorésistifsmodernes (vannes de spin, jonctions tunnel…). Lezyyxh rfh rf22CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008


<strong>CEA</strong> a pu montrer que de tels <strong>matériaux</strong>, constituésd’une succession de films de NiMn ou IrMn et deFeCo, présentaient un comportement dynamiqueinégalé jusqu’à <strong>des</strong> fréquences pouvant dépasser plusieursdizaines de gigahertz. Ils apparaissent donccomme une alternative aux <strong>matériaux</strong> précédemmentdécrits. Ils offrent <strong>des</strong> perspectives d’applications radiofréquencesinégalées dans une gamme considéréecomme inaccessible aux <strong>matériaux</strong> ferro<strong>magnétiques</strong>,au-delà de la dizaine de gigahertz. Ces <strong>matériaux</strong> ontpermis la réalisation d’inductances radiofréquencesavec <strong>des</strong> topologies simplifiées par rapport aux spirales,affichant <strong>des</strong> valeurs exceptionnelles de densitélinéique d’inductance (2) et <strong>des</strong> fréquences de fonctionnementrecord. Le couplage entre le brin conducteuret le matériau magnétique est maximisé dans cesstructures. Cette topologie est aujourd’hui exploréepour la réalisation de brins résonants ou rayonnantsminiatures pour les filtres et les antennes intégrées.L’ouverture aux multicouchesmultiferroïquesCette approche multicouche (ferro<strong>magnétiques</strong> / antiferro<strong>magnétiques</strong>)pouvant être qualifiée d’hétérogèneouvre une brèche encore peu explorée versd’autres <strong>matériaux</strong> en couches minces pour les<strong>hyperfréquences</strong> dont on cherche à combiner artificiellement<strong>des</strong> propriétés de natures différentes (<strong>matériaux</strong>ferroélectriques, piézo-électriques…). On parlealors de <strong>matériaux</strong> multiferroïques hétérogènes encouches minces ou plus largement de <strong>matériaux</strong> fonctionnalisablespour les <strong>hyperfréquences</strong>. De plus, latendance au rapprochement <strong>des</strong> disciplines propresaux <strong>matériaux</strong>, aux composants et aux systèmes réduitaujourd’hui considérablement la distance entre physicienset concepteurs, si bien que les modèles physiquesdynamiques <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> peuvent être prisen compte très tôt dans les flots de conception d’architecturesRF complexes. Le domaine de la radioopportuniste (3) est illustratif de ce tournant, domaineoù la difficulté <strong>des</strong> enjeux en termes de multifonctionnalités<strong>des</strong> blocs d’émission – réception et de traitementdu signal oblige à une telle rupture culturelle.Il s’ensuit aujourd’hui une extension très importantedu champ d’application <strong>des</strong> couches <strong>magnétiques</strong><strong>hyperfréquences</strong> depuis les inductances RF vers <strong>des</strong>solutions agiles en fréquence, au travers du couplageentre magnétisme et piézo-électricité <strong>des</strong> couches minces,par exemple. Un autre exemple concerne la réductionde taille <strong>des</strong> antennes après celles <strong>des</strong> inductancespour lesquelles le couplage entre ferromagnétismeet ferroélectricité aux niveaux de couches minces aentrouvert la voie à <strong>des</strong> solutions très novatrices.Application aux dispositifs accordablesen fréquence<strong>Les</strong> nombreuses applications utilisant la technologiesans fil fonctionnent avec leurs propres standards de(2) Densité linéique d’inductance : valeur de la self(exprimée en nanohenry nH) ramenée par unité de longueurde l’élément inductif (en mm), soit ici nH · mm -1 .(3) Radio opportuniste: système de transmission radio danslequel l’équipement de radiocommunication matériellement leplus simple possible est capable de se configurer dynamiquementde façon logicielle pour traiter n’importe quel type de signal.<strong>Les</strong> trois familles de <strong>matériaux</strong><strong>Les</strong> couches minces ferro<strong>magnétiques</strong> <strong>hyperfréquences</strong> sont généralement<strong>des</strong> alliages métalliques utilisant principalement le nickel, le cobaltet le fer. Le caractère “magnétique doux” nécessaire à l’obtention de perméabilitésélevées est obtenu ici en “annulant” l’effet de la constanted’anisotropie magnétocristalline (1) qui est forte pour ces éléments massifs.Trois catégories de couches minces ferro<strong>magnétiques</strong> <strong>hyperfréquences</strong>existent actuellement.La première regroupe les alliages polycristallins tels que le permalloy(FeNi) où la douceur de l’alliage est obtenue en ajustant la proportion entreles deux métaux de transition. La performance globale d’une couche étantliée à sa perméance (produit de la perméabilité et de l’épaisseur du film), lescouches cristallisées faiblement résistives présentent de faibles épaisseursde peau qui limitent les performances de ses <strong>matériaux</strong>.La deuxième catégorie est celle <strong>des</strong> alliages amorphes où sont associésaux métaux de transition ferro<strong>magnétiques</strong> <strong>des</strong> métaux de transition non<strong>magnétiques</strong> (Zr, Pt, Nb, Ta…) ou <strong>des</strong> métalloï<strong>des</strong> (B, Si…) (2) qui garantissentla structure amorphe de la couche lors de sa fabrication par pulvérisationcathodique (3) .La troisième regroupe les alliages nanocristallisés souvent obtenus par recuitet croissance de grains d’un alliage amorphe ou par dépôt réactif afin deréaliser <strong>des</strong> composés azotés ou carbonés FeN (Ta, Hf...) ou FeC.Ces <strong>matériaux</strong> sont élaborés par un procédé de dépôt sous vide, la pulvérisationmagnétron (4) . Cette technique permet de déposer une large gammede compositions ferro<strong>magnétiques</strong> polycristallines, amorphes ou nanocristallisées.Le choix <strong>des</strong> conditions de dépôt permet d’en ajuster les propriétés<strong>magnétiques</strong> <strong>hyperfréquences</strong>. <strong>Les</strong> couches <strong>magnétiques</strong> peuvent êtredéposées sur silicium, mais aussi sur du verre ou <strong>des</strong> substrats plastiques.(1) Constante d’anisotropie magnétocristalline : terme intervenant dans l’expressionde l’énergie volumique de l’énergie magnétocristalline. Il quantifie la tendancequ’a l’aimantation à s’aligner selon <strong>des</strong> axes cristallographiques préférentiels.(2) Métalloï<strong>des</strong> : éléments dont les propriétés sont intermédiaires entre celles <strong>des</strong>métaux et celles <strong>des</strong> non-métaux. La plupart sont semi-conducteurs (bore, silicium,germanium, arsenic, antimoine, tellure et polonium).(3) Pulvérisation cathodique : formation de couches minces par éjection d’atomesd’un matériau cible lors d’un bombardement par <strong>des</strong> ions de gaz rares accéléréssous haute tension.(4) Pulvérisation (cathodique) magnétron : pulvérisation cathodique équipéed’un magnétron (un jeu d’aimants permanents situé sous la cible) afind’augmenter la densité ionique au voisinage de cette cible. L’effet magnétronpermet d’entretenir la décharge avec une plus faible pression, améliorant d’autantla qualité de la pulvérisation.fréquence de communication. La recherche de réductionde coût tend à limiter le nombre de composantset s’oriente vers <strong>des</strong> systèmes accordables en fréquence.Une voie nouvelle utilisant un composite formé defilms ferro<strong>magnétiques</strong> sur polymère empilés intégrésà une ligne de transmission a été proposée (figure 4).Dans un premier temps, l’accord en fréquence parapplication d’un champ magnétique statique décalantla fréquence de résonance de la couche magnétiquea permis de valider le concept. Néanmoins l’intégrationd’une bobine pour créer ce champ decommande était incompatible avec une intégrationdans <strong>des</strong> circuits miniaturisés. Il a donc été envisagéd’utiliser la propriété dite de magnétostriction, c’està-direde la sensibilité <strong>des</strong> propriétés <strong>magnétiques</strong> dumatériau à la déformation. Des dépôts de matièreferromagnétique présentant un niveau de magnétostrictionélevé sur <strong>des</strong> substrats piézo-électriques dontla déformation est ajustable à partir d’une simple tensionélectrique ont été réalisés. Le premier dispositif,qui donne <strong>des</strong> résultats encourageants, verra sa conceptionoptimisée afin d’accroître ses performances.<strong>Les</strong> technologies MEMS sont également explorées pourmettre en œuvre ce principe à l’échelle <strong>des</strong> micro-CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008 23


Aimants et <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong>Figure 4.Illustrationsd’inductancesferro<strong>magnétiques</strong> RFà géométrie spiralecompatibles CMOS,fonctionnant de 0, 9à 2,4 GHz (a), d’un brinconducteur en topologiecoplanaire RFentièrement encapsulépar un matériau de typeAF/F/AF (b) d’uneinductance méandrefonctionnant à 5 GHzutilisant ce principe (c).basystèmes. L’utilisation d’un micro-actuateur piézoélectriquespécialement conçu permet un meilleurcontrôle <strong>des</strong> contraintes (uniaxialité et amplitude élevées).Ceci rend possible l’ajustement <strong>des</strong> propriétésdynamiques de couches <strong>magnétiques</strong> très douces (doncmodérément magnétostrictives) avec une plage d’accordabilitéétendue et <strong>des</strong> tensions d’actuation faibles(plusieurs GHz pour quelques volts). Plus avantageusesque les varactors (4) (CMOS ou MEMS), lesinductances variables MEMS (5) offrent aujourd’hui(4) Varactors CMOS : capacités variables utilisant<strong>des</strong> circuits actifs.(5) Inductances variables MEMS : inductances variablesutilisant un actuateur mécanique.(6) VCO : oscillateurs contrôlés en tension utilisant<strong>des</strong> inductances et <strong>des</strong> capacités.c1 mmde nouvelles perspectives aux concepteurs de filtres“passe bande” agiles et de VCO (6) accordables. Le <strong>CEA</strong>collabore sur ces thématiques principalement avecl’Université de Bretagne Occidentale (LEST, Laboratoired’électronique et systèmes de télécommunications),l’université de Limoges (XLIM, qui fédère les recherchesen mathématiques, optique, électromagnétismeet électronique) et l’Université de Rennes (IETR, institutd’électronique et de télécommunications de Rennes).> Sébastien DubourgDirection <strong>des</strong> applications militaires<strong>CEA</strong> Centre du Ripault> Bernard VialaInstitut LétiDirection de la recherche technologique<strong>CEA</strong> Centre de Grenoble<strong>Les</strong> microfils ferro<strong>magnétiques</strong><strong>Les</strong> fils métalliques ferro<strong>magnétiques</strong> ont <strong>des</strong> propriétés qui leur ouvrent <strong>des</strong> applicationsoriginales, notamment dans la détection. Le “code-barre” magnétique en est une.Dans le domaine <strong>des</strong> fibres ou fils de diamètremicronique, les fibres de silice (ou fibres optiques)ont révolutionné notre vie quotidienne grâce à larapidité de la transmission <strong>des</strong> informations qu’ellessont capables de véhiculer. Leurs homologues métalliquessont beaucoup moins connus, mais leurs propriétés,en particulier <strong>magnétiques</strong>, leur ouvrent <strong>des</strong>applications originales, notamment dans la détection,avec notamment le “code-barre” magnétique.Le <strong>CEA</strong>, pour sa part, avec le laboratoire MatériauxMagnétiques et Optiques (MMO) installé au Ripault(Indre-et-Loire), utilise depuis 1997 un procédé original(encadré 1) qui permet de réaliser <strong>des</strong> fils métalliquesgainés de verre d’un diamètre5 μmmicronique.Des fils “trempés” pour obtenirun matériau amorpheLe principe du procédé est le tirage d’un fil à partirde l’état liquide dans une gaine de verre. Sont ainsiélaborés <strong>des</strong> fils métalliques de diamètre compris entre1 et 15 micromètres (µm), entourés d’une gaine deverre d’épaisseur comprise entre 1 et 5 µm. La longueurdu fil obtenu sur une bobine peut atteindre lavingtaine de kilomètres ! Dans les applications, lagaine de verre est en général conservée, souvent parcequ’elle apporte une fonction supplémentaire (isolationélectrique, solidité mécanique…), mais elle peutImage obtenue au microscope électronique à balayage (MEB)montrant la d’une coupe transversale d’un fil ferromagnétiquedans sa gaine de verre.également être retirée si besoin est, par attaque chimiquepar exemple.De nombreux types d’alliages peuvent être transforméspar ce procédé. Dans les applications phares dulaboratoire, ce sont les alliages ferro<strong>magnétiques</strong> quisont étudiés. Ils sont élaborés sous forme de lingot parun procédé mis en œuvre dans le laboratoire, la fusionpar creuset froid (encadré 1). <strong>Les</strong> fils étant tirés à <strong>des</strong>vitesses de l’ordre de 10 m/s, l’alliage subit une tremperelativement rapide, de l’ordre de 10 5 K/s. Pour certainescompositions de base cobalt ou fer, alliées avec un<strong>CEA</strong>24CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008


Du procédé Taylor Ulitovsky au procédé de fusion en creuset froid1<strong>CEA</strong>Tirage de fils par le procédé Taylor Uiltovsky. Le tube de verre,l’inducteur et le fil chaud (le petit trait rouge vertical au centre del’image) sont visibles.Loin <strong>des</strong> prouesses technologiques habituellement nécessairespour élaborer <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> à l’échelle du micron, le centredu Ripault utilise depuis 1997 un procédé métallurgique simpleet original pour réaliser <strong>des</strong> fils métalliques microniques,le procédé Taylor-Ulitovsky. Inventé par Taylor en 1925, il a étéfortement perfectionné par Ulitovsky dans les années 60, notammentpar l’introduction du chauffage par induction. En raisonde sa tension de surface élevée, le métal ne peut pas être (commepour un polymère ou un verre) étiré en fil d’un diamètre trèsfin à partir d’un bain de métal liquide. Afin de contourner cetobstacle, le bain de métal en fusion est placé dans un tube deverre qui se ramollit, et c’est l’ensemble verre-métal qui estétiré pour donner un fil de métal parfaitement cylindrique entouréd’une gaine de verre solidaire, sur plusieurs kilomètres. La viscositédu verre, qui varie fortement suivant la température dumétal en fusion, est un paramètre déterminant pour contrôlerle diamètre du fil métallique. L’autre paramètre déterminant duprocédé est la vitesse à laquelle le fil est tiré, ce qui déterminele diamètre total du fil (métal et gaine de verre). L’épaisseur dela gaine de verre est comprise entre 1 et 10 μm. Ce procédé,longtemps utilisé en ex-URSS pour produire <strong>des</strong> fils de cuivretrès fins utilisés pour faire <strong>des</strong> microbobines, a disparu danscette application, car non compétitif face aux technologies de lamicroélectronique développées à l’Ouest.Depuis 2001, le <strong>CEA</strong>/Le Ripault s’est équipé d’une installationd’élaboration d’alliages métalliques par fusion en creuset froid.Le principe consiste à fondre les proportions voulues d’élémentspurs pour obtenir, sous forme liquide, un alliage à la<strong>CEA</strong>Alliage en coursd’élaborationdans le creusetfroid.composition souhaitée. Le métal liquide est ensuite coulé dansun moule refroidi, le tout sous atmosphère résiduelle d’argon.Le creuset froid est une sorte de bol formé par 17 secteursindépendants en cuivre refroidi. Au fond, un orifice est obstruépar une tige amovible, le “doigt froid”. Le creuset est placé àl’intérieur d’un inducteur solénoïde alimenté par un générateurapériodique HF.Une fois les éléments (Co, Fe, Si, B…) placés dans le creuset,les métaux ferro<strong>magnétiques</strong> fondent sous l’effet de l’inductionet les métalloï<strong>des</strong> par contact avec les premiers. Lorsque toutest fondu, une boule d’alliage liquide, d’un volume maximumde 30 cm 3 , est brassée à l’intérieur du creuset. La sustentationmagnétique la maintient en lévitation, sans contact avec lesparois qui sont, dans les procédés classiques, une source importantede pollution. En retirant le doigt froid, les lignes de champsont coupées et le métal liquide chute dans une lingotière refroidiequi peut avoir différentes formes. Ce procédé, à la fois simple,rapide et garantissant une bonne pureté, a permis l’étude<strong>des</strong> propriétés <strong>magnétiques</strong> de toute une gamme de compositionspour les microfils ferro<strong>magnétiques</strong>.pourcentage de métalloï<strong>des</strong> (bore, silicium…) entre15 et 25 %, la trempe est suffisamment violente pourinhiber cinétiquement la cristallisation de l’alliage. Lemétal se trouve alors à l’état amorphe, un état métastablecaractérisé par une absence de grains cristallins,ce qui purifie le comportement magnétique <strong>des</strong> artefactslié à la maîtrise de la structure (joints de grains,dispersion de la taille <strong>des</strong> grains, orientation…). Lecycle d’hystérésis observé peut alors être très proche<strong>des</strong> cycles théoriques.Un “code-barre” magnétiqueDans ce cadre idéal, les propriétés <strong>magnétiques</strong> sontcontrôlées par une source extérieure, les caractéristiquesgéométriques <strong>des</strong> fils. En effet, la gaine deverre joue ici un rôle essentiel et très particulier.Sous l’effet <strong>des</strong> contraintes mécaniques qu’elle exercedans le métal, qui dépendent du ratio surfaciquemétal/verre, une anisotropie magnétique apparaît.Autrement dit, l’énergie magnétique qui doit êtrefournie pour aimanter le fil dans une direction (parexemple : parallèlement à son axe) dépend de l’intensitédu coefficient de couplage magnéto-élastique(souvent appelé coefficient de magnétostriction)et du niveau de contraintes dans le métal. La figuremontre le cycle d’hystérésis observé pour un coefficientde magnétostriction positif ou négatif lorsqu’unchamp magnétique est appliqué parallèlementà l’axe du fil. Dans le premier cas, le cycle estrectangulaire, c’est-à-dire que le fil est naturellementaimanté dans son axe. Cette propriété est extrê-CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008 25


Aimants et <strong>matériaux</strong> <strong>magnétiques</strong><strong>Les</strong> alliages nanocristallisés 2Traditionnellement, les alliages ferro<strong>magnétiques</strong>amorphes sont élaborés sous forme deruban par une méthode dite de trempe surroue qui permet de produire un ruban encontinu, d’épaisseur 20 μm et de largeur 20 mm.Cependant, leurs applications (par exemple,pour les transformateurs de puissance) sontlimitées parce que leurs propriétés se détériorentfortement sous l’effet de la température,du fait de la cristallisation de l’alliage.À la fin <strong>des</strong> années 80, Yoshizawa et al.(Journal of Applied Physics, 1988, 64, 6044) ontdonné une nouvelle impulsion en présentantla famille Finemet à base Fe, soit un alliagemétallique nanocristallisé de compositionFe 73,5 Cu1Nb 3 Si 13,5 B 9 . L’obtention de l’état nanocristallisénécessite un traitement thermique à600 °C pendant 1 heure du ruban amorphe, aucours duquel se forme la phase cristalliséeα-(Fe-Si). À l’issue du recuit, la microstructurede du matériau présente deux phases: une phasecomposée de grains cristallisés Fe-Si cubiquecentrée, immergée dans une phase “matrice”amorphe ferromagnétique, riche en Fe, Nb et B.Le caractère novateur de la composition résideen l’ajout de cuivre et de niobium. Ces élémentsvont restreindre le diamètre <strong>des</strong> grains à 15-20 nm en favorisant la nucléation (1) et en freinantla croissance de la phase cristallisée. Unetaille de grains de l’ordre du nanomètre est leparamètre indispensable pour l’obtention <strong>des</strong>propriétés <strong>magnétiques</strong> recherchées. De par soncaractère nanocristalllisé, la stabilité thermique<strong>des</strong> propriétés <strong>magnétiques</strong> en est accrue touten conservant les caractéristiques <strong>des</strong> alliagesconventionnels. En s’appuyant sur le conceptdéveloppé par Yoshizawa, de nouvelles famillesd’alliages nanocristallins ont vu le jour, toujoursdans un souci de proposer une aimantation àsaturation plus élevée associée à une tenue entempérature <strong>des</strong> propriétés <strong>magnétiques</strong>. Unexemple est la famille du type FeMBCu avecM = Zr, Nb ou Hf dont l’alliage le plus connu estNanoperm, de composition Fe 88 Zr 7 B 4 Cu 1 . Lechoix <strong>des</strong> métaux de transition M repose sur leurcapacité à limiter la croissance <strong>des</strong> grains. Lafamille Hitperm est dérivée de la précédente parsubstitution du fer par du cobalt dont l’ajout a poureffet d’augmenter l’aimantation à saturation et latempérature de Curie de la phase amorphe.Au cours <strong>des</strong> dernières années, les familles d’alliagesnanocristallisés se sont totalement intégréesdans le paysage industriel (Hitachi, Imphy,Magnetec…) où ces <strong>matériaux</strong> sont employésdans la fabrication de transformateurs, de capteurs<strong>magnétiques</strong> ou bien encore dans le codagemagnétique.(1) nucléation: étape d’agrégation dans l’arrangementcorrect d’objets en train de croître.1,50-10 -8 -6 -4 -2 010,5-0,5-11,5-1,510,52 4 6 8 100-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10-0,5-1-1,5Figure.Cycles d'hystérésis (aimantation en fonction du champ magnétique appliqué) typiques<strong>des</strong> fils. En haut, cycle d'un fil à magnétostriction positive et structure en domaine associé,en bas cycle d'un fil à magnétostriction négative et structure en domaine associé.mement intéressante pour réaliser <strong>des</strong> applicationsde détection, par exemple pour identifier <strong>des</strong> produits.En effet, il est ainsi possible de créer un “codebarre” magnétique. Cette application a d’ailleursété brevetée par le <strong>CEA</strong> qui a licencié une startup,la société Cryptic, pour développer ce typed’application.Le second type de cycle d’hystérésis est associé à uneconfiguration spatiale de l’aimantation plus complexe,avec <strong>des</strong> domaines <strong>magnétiques</strong> circonférentiels.Cette situation est favorable à l’excitation d’uneperméabilité magnétique parallèle aux fils. <strong>Les</strong> applicationsliées sont alors variées, notamment dans <strong>des</strong>composants radiofréquences.Des propriétés <strong>magnétiques</strong> hautesfréquences en températureLa perméabilité dans le régime <strong>des</strong> <strong>hyperfréquences</strong>(autour du GHz) est une <strong>des</strong> forces du laboratoireMMO. <strong>Les</strong> chercheurs visent donc à maîtriser cetteperméabilité du mieux possible et à améliorer lesperformances obtenues. L’utilisation <strong>des</strong> alliagesCoFeSiB pose par exemple un problème : la tenue entempérature de la perméabilité n’est pas très bonne(évolution de l’état métastable, température de Curiefaible…). Actuellement, ces alliages sont concurrencéspar un nouveau type d’alliages, dits “nanocristallisés”(encadré 2). L’application de cette familled’alliage aux fils à perméabilité hyperfréquence élevéea été effectuée très récemment par l’équipe du<strong>CEA</strong>. La baisse de perméabilité entre la températureambiante et 350 °C n’est que de 30 % pour ces compositions,alors que la perméabilité <strong>des</strong> fils amorphescomparables a chuté de plus de 80 %. Ces récentsdéveloppements étendent donc les domaines d’appli -cation potentiels de ces fils.> Anne-Lise Adenot-Engelvin,Frédéric Bertin et Vincent DubugetDirection <strong>des</strong> applications militaires<strong>CEA</strong> Centre du Ripault26CLEFS <strong>CEA</strong> - N° 56 - HIVER 2007-2008


MÉMOA<strong>Les</strong> différentes formes de magnétismeLe magnétisme trouve essentiellementson origine dans les propriétés <strong>des</strong>électrons telles qu’elles sont expliquéespar la physique quantique. Leur état quantiquede spin est responsable d’une premièrepartie du magnétisme (magnétismede spin). Une deuxième partie est imputableau mouvement orbital <strong>des</strong> électronsautour du noyau de l’atome (magnétismeorbital) et également au magnétisme dunoyau lui-même (magnétisme nucléaire),notamment mis à profit dans les techniquesd’imagerie médicale par résonance magnétiquenucléaire. Le magnétisme est doncproduit par <strong>des</strong> charges électriques enmouvement. La force agissant sur ces charges,dite force de Lorentz, traduit la présenced’un champ magnétique.L’électron possède un moment magnétiqueélémentaire (le quantum magnétiqueétant le magnéton imaginé par Bohr) quipeut être associé à l’image de son mouvementde rotation du spin sur lui-mêmedans un sens ou dans l’autre, orienté versle haut ou vers le bas. Le nombre quantiquede spin (un <strong>des</strong> quatre nombres qui “quantifient”les propriétés de l’électron) est égalà 1/2 (+ 1/2 ou - 1/2). Une paire d’électronsne peut occuper la même orbitale que sil’un et l’autre sont de moments <strong>magnétiques</strong>opposés.Chaque atome peut être assimilé à un petitaimant porteur d’un moment magnétiqueélémentaire. Le spin du noyau (neutron etproton ont eux-mêmes un spin demi-entier)est demi-entier si le nombre de masse estimpair; nul si le nombre de masse et lacharge sont pairs, et entier si le nombrede masse est pair et la charge impaire.De nombreux moments <strong>magnétiques</strong> peuvent,à une échelle plus importante, constituer<strong>des</strong> domaines <strong>magnétiques</strong> danslesquels tous ces moments sont orientésa b cdans la même direction. Ces régions del’espace sont séparées entre elles par <strong>des</strong>parois. Rassemblés, ces domaines peuventeux-mêmes constituer un aimant àl’échelle macroscopique (figure E1).De l’organisation de ces constituants élémentairesdépend la manifestation de différentstypes de magnétisme, associés traditionnellementà trois gran<strong>des</strong> famillesde <strong>matériaux</strong>: ferro<strong>magnétiques</strong>, para<strong>magnétiques</strong>et dia<strong>magnétiques</strong>.Tous les <strong>matériaux</strong> qui ne sont pas dia<strong>magnétiques</strong>sont par définition para<strong>magnétiques</strong>,dans la mesure où leur susceptibilitémagnétique est positive, maiscette susceptibilité est particulièrementélevée dans les ferro<strong>magnétiques</strong>, qui constituentdonc en eux-mêmes une famille.1. <strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> ferro<strong>magnétiques</strong> sontconstitués de petits domaines à l’intérieur<strong>des</strong>quels les atomes, présentant uneaimantation parallèle, tendent à s’alignercomme autant de dipôles élémentairesdans la direction d’un champ magnétiqueextérieur. <strong>Les</strong> moments <strong>magnétiques</strong> dechaque atome peuvent s’aligner spontanémentdans ces domaines, même en l’absencede champ extérieur. En présenced’un tel champ, les parois se déplacent ettendent à renforcer le champ appliqué. Sicelui-ci dépasse une certaine valeur, leprincipal domaine orienté dans la directiondu champ tendra à occuper tout levolume du matériau. Si le champ diminue,les parois se déplacent, mais pas de façonsymétrique, une partie du mouvement“aller” <strong>des</strong> parois étant irréversible: il subsistedonc une magnétisation rémanente,importante dans les aimants proprementdits ou la magnétite naturelle.L’ensemble du processus constitue un cycled’hystérésis, la relation du champ induitau champ extérieur <strong>des</strong>sinant une boucleFigure E1.<strong>Les</strong> moments <strong>magnétiques</strong> élémentaires sont de même sens dans les substancesferro<strong>magnétiques</strong> (a), de sens opposés mais de somme nulle dans les antiferro<strong>magnétiques</strong> (b)et de sens opposé et de grandeur différente dans les ferri<strong>magnétiques</strong> (c).-HSS’-HCB+BRO-BRFigure E2.L’induction B d’un matériau magnétiquepar une bobine n’est pas proportionnelleà l’excitation magnétique (champ H).Si la première aimantation <strong>des</strong>sineune courbe de type OsS en bleu sur la figure,elle manifeste à partir de s une saturation.L’induction n’est conservée qu’en partiesi le champ tend vers zéro ; cette inductionrémanente ne peut être annulée que parune inversion du champ magnétique jusqu’àune valeur de champ “coercitif”. Le cycled’hystérésis traduit <strong>des</strong> pertes “par frottement”entre les domaines <strong>magnétiques</strong>. Ces pertessont représentées par la surface que délimitentles courbes d’aimantation et de désaimantation.ou courbe d’hystérésis dont la surface représentel’énergie perdue dans la partie irréversiblede ce processus (figure E2). Pourannuler le champ induit, il faut appliquerun champ coercitif: les <strong>matériaux</strong> avec lesquelsles aimants permanents artificielssont réalisés présentent une valeur élevéede champ coercitif.En général, le moment magnétique total<strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> ferro<strong>magnétiques</strong> est nul,les différents domaines ayant <strong>des</strong> orientationsdifférentes. Le ferromagnétismedisparaît si on dépasse une certaine températureappelée point de Curie.Le couplage collectif <strong>des</strong> spins entre centresmétalliques du matériau ou d’un complexede métaux de transition explique lespropriétés <strong>magnétiques</strong> du matériau, lesmoments de tous les spins se trouvant tousorientés de manière identique.<strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> dont les atomes sont éloignésles uns <strong>des</strong> autres dans leur structurecristalline favorisent un alignement de cesaimants élémentaires par couplage. Le fer,mais aussi le cobalt, le nickel et leurs alliages,en particulier les aciers, et certains deleurs composés appartiennent à cette catégoriecaractérisée par une susceptibilitémagnétique positive et très élevée, ainsi que,s+HCS+HSH


Stoiber Productions, MünchenArrivée à la gare routière de Long Yang, à Shanghai (Chine), d’un train à sustentation magnétiquedu type Transrapid, d’origine allemande, mis en service en 2004 pour relier la villeà l’aéroport international de Pudong.plus faiblement, certains métaux de la famille<strong>des</strong> terres rares, quelques alliages dont lesmailles sont gran<strong>des</strong> et certaines combinaisonsd’éléments n’appartenant pas euxmêmesà cette famille.Dans les <strong>matériaux</strong> ferri<strong>magnétiques</strong>, lesdomaines <strong>magnétiques</strong> constituent <strong>des</strong>ensembles pouvant être alignés dans <strong>des</strong>sens opposés (anti-parallèles), mais leurmoment magnétique résultant diffère dezéro alors que le champ extérieur est nul(exemples de la magnétite, de l’ilménite ou<strong>des</strong> oxy<strong>des</strong> de fer). Le ferrimagnétisme s’observedans <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong> comportant deuxtypes d’atomes se comportant comme <strong>des</strong>aimants de force différente et orientés ensens contraire. Si la somme <strong>des</strong> momentsparallèles et anti-parallèles est nulle, il s’agitd’anti-ferromagnétisme (exemple duchrome ou de l’hématite). En effet, si les atomessont plus rapprochés, la disposition laplus stable est celle d’aimants antiparallèles,chacun compensant en quelque sorteson voisin (figure E1).2. <strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> para<strong>magnétiques</strong> présententun comportement de même natureque les ferro<strong>magnétiques</strong>, bien que beaucoupmoins intense (leur susceptibilitémagnétique est positive mais très faible, del’ordre de 10 - 3 ). Chaque atome d’un tel matériaua un moment magnétique non-nul. Sousl’action d’un champ extérieur, les moments<strong>magnétiques</strong> s’orientent et augmentent cechamp, qui décroît cependant avec la température,l’agitation thermique désorientantles dipôles élémentaires. <strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong>para<strong>magnétiques</strong> perdent leur aimantationdès qu’ils ne sont plus soumis au champmagnétique. La plupart <strong>des</strong> métaux, y compris<strong>des</strong> alliages d’éléments ferro<strong>magnétiques</strong>,font partie de cette famille, ainsi que<strong>des</strong> minéraux comme la pegmatite.3. <strong>Les</strong> <strong>matériaux</strong> dia<strong>magnétiques</strong> présententune susceptibilité magnétique négativeet extrêmement faible (de l’ordre de10 -5 ). La magnétisation induite par un champmagnétique s’opère dans la direction opposéeà ce dernier: ils ont donc tendance às’éloigner le long de ses lignes de champvers les zones de faible champ. Un diamagnétiqueparfait offrirait une résistancemaximale au passage du champ magnétiqueet présenterait une perméabilité nulle.<strong>Les</strong> métaux comme l’argent, l’or, le cuivre,le mercure ou le plomb, le quartz, le graphite,les gaz rares ainsi qu’une grandemajorité <strong>des</strong> composés organiques se rangentdans cette catégorie.En fait, tous les corps présentent peu ouprou ce phénomène de diamagnétisme,imputable à la déformation <strong>des</strong> orbitalesélectroniques <strong>des</strong> atomes sous l’action d’unchamp extérieur, phénomène réversibleavec la disparation du champ extérieur.Comme Michael Faraday l’a montré en sontemps, toute substance est donc plus oumoins “magnétisable” pour autant qu’ellesoit placée dans un champ magnétique suffisammentintense.L’électromagnétismeC’est le Danois Hans Christian Ørsted, professeurà l’Université de Copenhague qui, lepremier, a fait autour de1820 le lien entreles deux domaines jusqu’alors complètementséparés de l’électricité et du magnétisme.Il a mis en évidence la déviation del’aiguille d’une boussole à proximité d’un filparcouru par un courant électrique, avantque Faraday n’énonce la loi qui porte sonnom: le champ magnétique produit est d’autantplus fort que l’intensité du courant estimportante. La discipline qui étudie leschamps <strong>magnétiques</strong> statiques (ne dépendantpas du temps) est la magnétostatique.Le champ magnétique forme, avec le champVue de détail <strong>des</strong> aimants pour le guidageet la propulsion du train.électrique, les deux composantes del’électromagnétisme. Des on<strong>des</strong> peuventse propager librement dans l’espace, etdans la plupart <strong>des</strong> <strong>matériaux</strong>, dans tousles domaines de longueur d’onde (on<strong>des</strong>radio, micro-on<strong>des</strong>, infrarouge, visible,ultraviolet, rayons X et rayons gamma). <strong>Les</strong>champs électro<strong>magnétiques</strong> sont donc unecombinaison de champs de force électriqueset <strong>magnétiques</strong> naturelle (le champmagnétique terrestre) ou non (de bassesfréquences comme les lignes et les câblagesélectriques, ou de plus haute fréquencecomme les on<strong>des</strong> radio (téléphone cellulairecompris) ou de télévision.Mathématiquement, les lois de base del’électromagnétisme sont résumées dansles quatre équations de Maxwell (ou deMaxwell-Lorentz) qui permettent dedécrire l’ensemble <strong>des</strong> phénomènesélectro <strong>magnétiques</strong> de manière cohérente,de l’élec trostatique et la magnétostatiqueà la propagation <strong>des</strong> on<strong>des</strong>. James ClerkMaxwell les a formulées en 1873, trentedeuxans avant qu’Albert Einstein ne placela théorie de l’électromagnétisme dans lecadre de la relativité restreinte, qui expliquaitses incompatibilités avec les lois dela physique classique.

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