Exchange anisotropy in nanometric cobalt clusters
Etude de l'anisotropie d'échange dans des agrégats de cobalt nanométriques
Résumé
This work deals with the study of exchange anisotropy in nanometric cobalt clusters (1-6 nm) prepared by magnetron sputtering and condensation in a gas aggregation cluster source.High resolution transmission electron microscopy and X-rays diffraction measurements show that clusters are icosahedra. This structure confirmed by calculations on the basis of atomistic model is non homogeneously strained. The magnetic anisotropy of these nanoparticles, calculated within the framework of Néel's pair model, oscillates as a function of the filling sequence of the icosahedra.
Exchange bias is first studied on an assembly of cobalt clusters for different particle density, coupled with an AF material (CoO or NiO) in thin films or shell geometries. Maximum effects are obtained when the AF layer is continuous, whether by direct contact between oxidized clusters or via an AF thin film.
Finally, we measured for the first time exchange bias on individual cobalt clusters using the micro-SQUID technique. Cobalt clusters, oxidized or not, are deposited on a CoO thin film and then covered with a superconducting niobium layer in which the micro-SQUID loops are etched. These measurements show that exchange bias is present even without field cooling the F/AF system. They also give evidence that each cluster has its own exchange anisotropy with direction and sense that are fixed by the local anisotropy of the AF.
Exchange bias is first studied on an assembly of cobalt clusters for different particle density, coupled with an AF material (CoO or NiO) in thin films or shell geometries. Maximum effects are obtained when the AF layer is continuous, whether by direct contact between oxidized clusters or via an AF thin film.
Finally, we measured for the first time exchange bias on individual cobalt clusters using the micro-SQUID technique. Cobalt clusters, oxidized or not, are deposited on a CoO thin film and then covered with a superconducting niobium layer in which the micro-SQUID loops are etched. These measurements show that exchange bias is present even without field cooling the F/AF system. They also give evidence that each cluster has its own exchange anisotropy with direction and sense that are fixed by the local anisotropy of the AF.
Ce travail porte sur l'étude de l'anisotropie d'échange dans des agrégats de cobalt nanométriques (1-6 nm de diamètre) fabriqués par une source à pulvérisation magnétron et condensation en phase vapeur. Des mesures de microscopie électronique en transmission à haute résolution et de diffraction de rayons X montrent que les agrégats sont icosaédriques. Cette structure, confirmée par des calculs utilisant un modèle atomistique, est déformée de façon non homogène. L'anisotropie magnétique de ces nano-objets, calculée à l'aide du modèle de paires de Néel, oscille en fonction du remplissage des couches successives de l'icosaèdre.
Le couplage d'échange F/AF est d'abord étudiée sur une assemblée d'agrégats de cobalt de différentes densités, couplés à un matériau AF (CoO ou NiO) sous forme de couche mince ou de coquille. L'effet maximum est obtenu lorsque la couche AF est continue, soit par contact direct entre agrégats oxydés, soit via une couche mince AF.
Enfin, des mesures utilisant la technique micro-SQUID ont pour la première fois permis de mettre en évidence le phénomène de couplage d'échange sur un agrégat de cobalt unique couplé à un AF. Les agrégats de cobalt oxydés ou non sont déposés sur une couche mince de CoO puis recouverts d'une couche de niobium supraconducteur dans laquelle sont gravées les boucles micro-SQUIDs. Ces mesures montrent que le couplage d'échange est présent même si le système F/AF n'est pas refroidi sous un champ magnétique. Elles mettent aussi en évidence que chaque agrégat possède sa propre anisotropie d'échange, dont la direction et le sens sont fixés par l'anisotropie locale de l'AF.
Le couplage d'échange F/AF est d'abord étudiée sur une assemblée d'agrégats de cobalt de différentes densités, couplés à un matériau AF (CoO ou NiO) sous forme de couche mince ou de coquille. L'effet maximum est obtenu lorsque la couche AF est continue, soit par contact direct entre agrégats oxydés, soit via une couche mince AF.
Enfin, des mesures utilisant la technique micro-SQUID ont pour la première fois permis de mettre en évidence le phénomène de couplage d'échange sur un agrégat de cobalt unique couplé à un AF. Les agrégats de cobalt oxydés ou non sont déposés sur une couche mince de CoO puis recouverts d'une couche de niobium supraconducteur dans laquelle sont gravées les boucles micro-SQUIDs. Ces mesures montrent que le couplage d'échange est présent même si le système F/AF n'est pas refroidi sous un champ magnétique. Elles mettent aussi en évidence que chaque agrégat possède sa propre anisotropie d'échange, dont la direction et le sens sont fixés par l'anisotropie locale de l'AF.
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