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

Les matériaux magnétiqueshyperfréquences: des ferritesaux métamatériauxLes matériaux magnétiques doux et les métaux ferromagnétiques sont largement utilisésdans les applications hyperfréquences. Sans les supplanter, les métamatériaux, apparusplus récemment, peuvent se combiner avec eux pour en augmenter les potentialités.Deux autres systèmes, les couches minces et les microfils magnétiques, sont égalementremarquables pour leurs propriétés hyperfréquences.Absorbants radarpyramidaux utilisés dansla chambre anéchoïque duCentre d’études scientifiqueset techniques d’Aquitaine(CEA/Cesta) au Barp, près deBordeaux. Des ferrites, quiabsorbent le rayonnementélectromagnétiquedans certaines gammesde fréquences, peuvent êtreplacés sous les absorbantspyramidaux en mousse pouren renforcer le caractèreabsorbant.Philippe Labèguerie/CEALes matériaux magnétiques sont depuis longtempsutilisés pour des applications hyperfréquences. Desinducteurs, des noyaux d’antennes et des filtres en ferritesont 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 des matériaux 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 matériaux magnétiques,ce sont les matériaux doux qui présentent lesperméabilités les plus élevées. Au contraire des aimantspermanents, leur aimantation répond très bien à unpetit champ magnétique extérieur.Ces matériaux magnétiques sont aussi utilisés pourdes applications électromagnétiques. Alors que pourdes matériaux usuels, la propagation, la réflexion et latransmission à une interface dépendent d’un seul paramètre,le comportement des matériaux magnétiquesdépend de deux paramètres indépendants, la permittivitéet la perméabilité. Ce degré de liberté supplémentairepermet d’obtenir des propriétés inaccessiblesavec un matériau diélectrique. À ce titre, les matériauxmagnétiques sont utilisés comme substrats d’antennes,absorbants radars, filtres accordables, etc.Enfin, lorsque ces matériaux magnétiques 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 des circulateurs et des isolateursemployés dans les radars, les relais de téléphonie mobile,etc. Les ferrites et les grenats demeurent des matériauxde choix pour ces applications. Les premiers sont utilisésdepuis fort longtemps comme matériaux hyperfréquences.Au CEA, Louis Néel a joué un rôle majeurdans la connaissance de ces matériaux. Plus récemment,les métaux ferromagnétiques ont connu undéveloppement important pour ces applications. Enfin,depuis moins d’une décennie, les métamatériaux constituentune approche totalement nouvelle pour synthétiserdes matériaux présentant des réponses magnétiqueshyperfréquences originales.Les matériaux ferromagnétiquesà haute perméabilitéDès la fin des 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 des matériauxmagnétiques. Acteurprincipal du développementde la science grenobloisedans la deuxième moitiédu XX e siècle, il a notammentété à l’origine de la créationdu CEA Grenoble.CEACLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 19

Aimants et matériaux magnétiquesLa souplesse des métamatériauxQuelques éléments enferrite pour applicationshautes fréquencescouramment utilisés dansdes 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 des matériaux ayantune aimantation à saturation supérieure à celle desferrites : les métaux et alliages ferromagnétiques.Cependant, ces derniers sont très conducteurs. Lesondes hyperfréquences ne pénètrent dans les conducteursque sur une épaisseur extrêmement réduite, appeléeprofondeur de peau. Pour utiliser ces matériaux àhaute fréquence, il est donc nécessaire d’en disposersous forme de couches minces, de fils ou decomposites comportant des ferromagnétiquesfinement divisés. Des travaux menés au CEA 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 des modesélectromagnétiques excités dans chaque sphère. Lescouches minces et les microfils magnétiques constituentdeux autres systèmes remarquables par leurs propriétéshyperfréquences (voir respectivement Les couches mincesmagnétiques à haute perméabilité, p. 21 et Les microfilsferromagnétiques, p. 24).Si le caractère conducteur des matériaux influencefortement leur réponse hyperfréquence, et ce demanière néfaste dans le cas des métaux ferromagnétiques,il est en revanche possible, en concevanthabilement des motifs conducteurs, de créer uneréponse magnétique à haute fréquence, même enl’absence de tout constituant magnétique. Il s’agitalors de métamatériaux.CEACEA10 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!Les métamatériaux 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 matériaux présentantdeux paramètres électromagnétiques 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 des matériaux “commandables”.Au centre CEA duRipault (Indre-et-Loire), l’équipedu Département matériaux l’adémontré avec la premièreréalisation d’un matériaudont la perméabilité hyperfréquenceest accordablepar une tension.Les métamatériaux permettentde synthétiser despropriétés inaccessibles auxmatériaux magnétiquesconventionnels. Des matériauxmagnétiques artificielsfonctionnant dans ledomaine des fréquencesvisibles ont été réalisés.Inversement, les chercheursdu CEA ont aussi montréque les métamatériaux nepermettent pas d’atteindredes performances largesbandes comparables à celledes matériaux ferromagnétiques, dès lors que l’on sesitue à des fréquences inférieures à une dizaine degigahertz. En combinant des motifs de cuivre et desmatériaux magnétiques conventionnels, il est possiblede combiner les avantages associés aux deux approches: des 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 nmCEA/DAMDes perspectives remarquablesLes métaux ferromagnétiques présentent donc desavantages qui leur permettent de supplanter les ferritesdans un certain nombre d’applications. Apparusplus récemment, les métamatériaux constituent uneapproche originale pour obtenir des propriétésmagnétiques hyperfréquences et ouvrent la voie àdes perspectives remarquables. S’ils ne peuvent pasremplacer les matériaux magnétiques conventionnels,ils peuvent se combiner avec eux pour en augmenterles potentialités.> Olivier AcherDirection des applications militairesCEA Centre du Ripault20CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008

Les couches minces magnétiquesà haute perméabilitéLes couches minces magnétiques illustrent parfaitement le rapprochement desdisciplines propres aux matériaux, aux composants et aux systèmes en réduisantconsidérablement la distance entre physiciens et concepteurs d’applications.Les couches minces magnétiques entrent dans desapplications hyperfréquences aussi diverses queles têtes pour l’enregistrement magnétique et la lecturede disques durs, les dispositifs à électronique despin (voir Stockage de l’information : les acquis et lespromesses du nanomagnétisme et de la spintronique,p. 62), les filtres d’ondes (1) , les inductances planairespour la téléphonie mobile ou des systèmes de marquageantivol. L’ingénierie des couches minces, parla mise au point de nouveaux matériaux homogènesou hétérogènes permet d’adapter leurs propriétésaux applications, les principaux défis étant deréaliser des dispositifs “agiles en fréquence” et/ouayant des fréquences de fonctionnement élevées. LeCEA 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 dimensionsdes dispositifs et répondre aux nouvellesexigences des applications en termes de fréquences.Surmonter les limitations dimensionnellesLes couches ferromagnétiques réalisées ont vocationà s’insérer dans des dispositifs de petites dimensionsoù la matière à proximité des 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 magnétiques s’écartent du comportementgyromagnétique d’une couche mince de dimensionssupposées infinies. Ainsi, pour diminuer sonénergie propre, des couches micrométriques adoptentdes structures en domaines magnétiques qui, selonles conditions d’excitation, vont donner lieu à une(1) Filtre d’ondes : dispositif permettant de ne laissertraverser qu’une partie des ondes électromagnétiques,en fonction de leur longueur d’onde, qui l’atteignent.C. Delaveaud/CEA-Léti/DCISbaisse globale des niveaux avec la réduction de taillede l’échantillon et l’apparition de pics de résonancesupplémentaires à des fréquences inférieures à cellesdu pic principal. Ceci a été observé dans des microstructuresd’alliages polycristallins comme le NiFepour les pièces polaires des 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.Les 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 CEA ont montré quele nombre et la position de ces “pics secondaires ” sontfonction de l’épaisseur déposée et des principales caractéristiquesmagnétiques de la couche (aimantation,anisotropie et constante d’échange).Antenne bi-filaireimprimée (2 GHz)adaptée à l’utilisationde couches mincesferromagnétiquesradiofréquences.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 des couchesde CoZr d’épaisseurscroissantes de 0,2 μmà 1,9 μm.CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 21

Aimants et matériaux magnétiquesFigure 2.Configuration magnétiquestatique d’une couche endomaines en bande (a),modes 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, des modificationsde la structure magnétique de la couche peuventfaire disparaître le mode uniforme gyromagnétiquerecherché. En effet au cours du dépôt, de par deseffets 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 des contraintes fortes en vue de la miniaturisationdes circuits RF (CMOS ou BiCMOS) est l’intégrationdes inductances qui comptent parmi les composantspassifs les plus consommateurs en termes desurface des puces. L’intégration de films magnétiquesà haute perméabilité sur silicium est une voie prometteuse.Les films de CoZr et de FeCoSiB amorphesdéposés au Ripault ont été intégrés par le CEA-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 des selfs, à caractéristiquesélectriques équivalentes. Ce travail pionnier enla matière a ouvert les voies à un développement plusspécifique de films magnétiques 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)des techniques de dépôt plus conventionnelles pourla microélectronique (figure 3), en partenariat avecSTMicroelectronics à Crolles.Les matériaux pour applications hautesfréquencesLes films nanocristallins à base de FeNet FeCoNPour répondre à un besoin croissant de matériaux àforte perméabilité à des fréquences de fonctionnementde plus en plus élevées, de nouveaux matériauxen 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 ferromagnétiques 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 présenterdes propriétés dynamiques remarquables avec desconstantes d’amortissement exceptionnellement faiblesà plusieurs gigahertz. Grâce à une microstructurecristalline très particulière composée de grains(< 5 nm) très finement dispersés dans une matriceamorphe, ces matériaux allient des résistivités élevées(typiquement 100 µΩ · cm) avec des 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 des inductances spirales.L’évaluation numérique du gain en densité d’inductancesurfacique indique des valeurs record dans cesconditions, supérieures à 100 %.Les multicouchesferromagnétiques/antiferromagnétiquesLe 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 des dispositifs magnétorésistifsmodernes (vannes de spin, jonctions tunnel…). Lezyyxh rfh rf22CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008

CEA a pu montrer que de tels matériaux, constituésd’une succession de films de NiMn ou IrMn et deFeCo, présentaient un comportement dynamiqueinégalé jusqu’à des fréquences pouvant dépasser plusieursdizaines de gigahertz. Ils apparaissent donccomme une alternative aux matériaux précédemmentdécrits. Ils offrent des perspectives d’applications radiofréquencesinégalées dans une gamme considéréecomme inaccessible aux matériaux ferromagnétiques,au-delà de la dizaine de gigahertz. Ces matériaux ontpermis la réalisation d’inductances radiofréquencesavec des topologies simplifiées par rapport aux spirales,affichant des valeurs exceptionnelles de densitélinéique d’inductance (2) et des 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 (ferromagnétiques / antiferromagnétiques)pouvant être qualifiée d’hétérogèneouvre une brèche encore peu explorée versd’autres matériaux en couches minces pour leshyperfréquences dont on cherche à combiner artificiellementdes propriétés de natures différentes (matériauxferroélectriques, piézo-électriques…). On parlealors de matériaux multiferroïques hétérogènes encouches minces ou plus largement de matériaux fonctionnalisablespour les hyperfréquences. De plus, latendance au rapprochement des disciplines propresaux matériaux, aux composants et aux systèmes réduitaujourd’hui considérablement la distance entre physicienset concepteurs, si bien que les modèles physiquesdynamiques des matériaux 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 des enjeux en termes de multifonctionnalitésdes 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 des couches magnétiqueshyperfréquences depuis les inductances RF vers dessolutions agiles en fréquence, au travers du couplageentre magnétisme et piézo-électricité des couches minces,par exemple. Un autre exemple concerne la réductionde taille des antennes après celles des inductancespour lesquelles le couplage entre ferromagnétismeet ferroélectricité aux niveaux de couches minces aentrouvert la voie à des solutions très novatrices.Application aux dispositifs accordablesen fréquenceLes 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.Les trois familles de matériauxLes couches minces ferromagnétiques hyperfréquences sont généralementdes 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 ferromagnétiques hyperfréquencesexistent 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 matériaux.La deuxième catégorie est celle des alliages amorphes où sont associésaux métaux de transition ferromagnétiques des métaux de transition nonmagnétiques (Zr, Pt, Nb, Ta…) ou des métalloïdes (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 des composés azotés ou carbonés FeN (Ta, Hf...) ou FeC.Ces matériaux sont élaborés par un procédé de dépôt sous vide, la pulvérisationmagnétron (4) . Cette technique permet de déposer une large gammede compositions ferromagnétiques polycristallines, amorphes ou nanocristallisées.Le choix des conditions de dépôt permet d’en ajuster les propriétésmagnétiques hyperfréquences. Les couches magnétiques peuvent êtredéposées sur silicium, mais aussi sur du verre ou des 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 des axes cristallographiques préférentiels.(2) Métalloïdes : éléments dont les propriétés sont intermédiaires entre celles desmétaux et celles des 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 des 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 des systèmes accordables en fréquence.Une voie nouvelle utilisant un composite formé defilms ferromagnétiques 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 des circuits miniaturisés. Il a donc été envisagéd’utiliser la propriété dite de magnétostriction, c’està-direde la sensibilité des propriétés magnétiques dumatériau à la déformation. Des dépôts de matièreferromagnétique présentant un niveau de magnétostrictionélevé sur des substrats piézo-électriques dontla déformation est ajustable à partir d’une simple tensionélectrique ont été réalisés. Le premier dispositif,qui donne des résultats encourageants, verra sa conceptionoptimisée afin d’accroître ses performances.Les technologies MEMS sont également explorées pourmettre en œuvre ce principe à l’échelle des micro-CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 23

Aimants et matériaux magnétiquesFigure 4.Illustrationsd’inductancesferromagnétiques 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 des contraintes (uniaxialité et amplitude élevées).Ceci rend possible l’ajustement des propriétésdynamiques de couches magnétiques très douces (doncmodérément magnétostrictives) avec une plage d’accordabilitéétendue et des 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 utilisantdes circuits actifs.(5) Inductances variables MEMS : inductances variablesutilisant un actuateur mécanique.(6) VCO : oscillateurs contrôlés en tension utilisantdes inductances et des capacités.c1 mmde nouvelles perspectives aux concepteurs de filtres“passe bande” agiles et de VCO (6) accordables. Le CEAcollabore 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 des applications militairesCEA Centre du Ripault> Bernard VialaInstitut LétiDirection de la recherche technologiqueCEA Centre de GrenobleLes microfils ferromagnétiquesLes fils métalliques ferromagnétiques ont des propriétés qui leur ouvrent des applicationsoriginales, notamment dans la détection. Le “code-barre” magnétique en est une.Dans le domaine des fibres ou fils de diamètremicronique, les fibres de silice (ou fibres optiques)ont révolutionné notre vie quotidienne grâce à larapidité de la transmission des informations qu’ellessont capables de véhiculer. Leurs homologues métalliquessont beaucoup moins connus, mais leurs propriétés,en particulier magnétiques, leur ouvrent desapplications originales, notamment dans la détection,avec notamment le “code-barre” magnétique.Le CEA, 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 des 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 des 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 ferromagnétiques quisont étudiés. Ils sont élaborés sous forme de lingot parun procédé mis en œuvre dans le laboratoire, la fusionpar creuset froid (encadré 1). Les fils étant tirés à desvitesses 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 unCEA24CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008

Du procédé Taylor Ulitovsky au procédé de fusion en creuset froid1CEATirage 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 des prouesses technologiques habituellement nécessairespour élaborer des matériaux à l’échelle du micron, le centredu Ripault utilise depuis 1997 un procédé métallurgique simpleet original pour réaliser des 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 des fils de cuivretrès fins utilisés pour faire des microbobines, a disparu danscette application, car non compétitif face aux technologies de lamicroélectronique développées à l’Ouest.Depuis 2001, le CEA/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 laCEAAlliage 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 ferromagnétiques fondent sous l’effet de l’inductionet les métalloïdes 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’étudedes propriétés magnétiques de toute une gamme de compositionspour les microfils ferromagnétiques.pourcentage de métalloïdes (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 des artefactslié à la maîtrise de la structure (joints de grains,dispersion de la taille des grains, orientation…). Lecycle d’hystérésis observé peut alors être très prochedes cycles théoriques.Un “code-barre” magnétiqueDans ce cadre idéal, les propriétés magnétiques sontcontrôlées par une source extérieure, les caractéristiquesgéométriques des fils. En effet, la gaine deverre joue ici un rôle essentiel et très particulier.Sous l’effet des 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 CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008 25

Aimants et matériaux magnétiquesLes alliages nanocristallisés 2Traditionnellement, les alliages ferromagnétiquesamorphes 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 des 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 des 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 despropriétés magnétiques recherchées. De par soncaractère nanocristalllisé, la stabilité thermiquedes propriétés magnétiques en est accrue touten conservant les caractéristiques des 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 des propriétés magnétiques. 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 des métaux de transition M repose sur leurcapacité à limiter la croissance des 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 des dernières années, les familles d’alliagesnanocristallisés se sont totalement intégréesdans le paysage industriel (Hitachi, Imphy,Magnetec…) où ces matériaux sont employésdans la fabrication de transformateurs, de capteursmagnétiques 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) typiquesdes 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 des applicationsde détection, par exemple pour identifier des produits.En effet, il est ainsi possible de créer un “codebarre” magnétique. Cette application a d’ailleursété brevetée par le CEA 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 des domaines magnétiques circonférentiels.Cette situation est favorable à l’excitation d’uneperméabilité magnétique parallèle aux fils. Les applicationsliées sont alors variées, notamment dans descomposants radiofréquences.Des propriétés magnétiques hautesfréquences en températureLa perméabilité dans le régime des hyperfréquences(autour du GHz) est une des forces du laboratoireMMO. Les chercheurs visent donc à maîtriser cetteperméabilité du mieux possible et à améliorer lesperformances obtenues. L’utilisation des 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 duCEA. La baisse de perméabilité entre la températureambiante et 350 °C n’est que de 30 % pour ces compositions,alors que la perméabilité des 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 des applications militairesCEA Centre du Ripault26CLEFS CEA - N° 56 - HIVER 2007-2008

MÉMOALes différentes formes de magnétismeLe magnétisme trouve essentiellementson origine dans les propriétés desélectrons 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 des 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 des 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 des 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 magnétiquesopposés.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 magnétiques peuvent,à une échelle plus importante, constituerdes domaines magnétiques danslesquels tous ces moments sont orientésa b cdans la même direction. Ces régions del’espace sont séparées entre elles par desparois. 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 grandes famillesde matériaux: ferromagnétiques, paramagnétiqueset diamagnétiques.Tous les matériaux qui ne sont pas diamagnétiquessont par définition paramagnétiques,dans la mesure où leur susceptibilitémagnétique est positive, maiscette susceptibilité est particulièrementélevée dans les ferromagnétiques, qui constituentdonc en eux-mêmes une famille.1. Les matériaux ferromagnétiques sontconstitués de petits domaines à l’intérieurdesquels les atomes, présentant uneaimantation parallèle, tendent à s’alignercomme autant de dipôles élémentairesdans la direction d’un champ magnétiqueextérieur. Les moments magnétiques 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” des 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 dessinant une boucleFigure E1.Les moments magnétiques élémentaires sont de même sens dans les substancesferromagnétiques (a), de sens opposés mais de somme nulle dans les antiferromagnétiques (b)et de sens opposé et de grandeur différente dans les ferrimagnétiques (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 dessineune 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 des pertes “par frottement”entre les domaines magnétiques. 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 matériaux avec lesquelsles aimants permanents artificielssont réalisés présentent une valeur élevéede champ coercitif.En général, le moment magnétique totaldes matériaux ferromagnétiques est nul,les différents domaines ayant des orientationsdifférentes. Le ferromagnétismedisparaît si on dépasse une certaine températureappelée point de Curie.Le couplage collectif des spins entre centresmétalliques du matériau ou d’un complexede métaux de transition explique lespropriétés magnétiques du matériau, lesmoments de tous les spins se trouvant tousorientés de manière identique.Les matériaux dont les atomes sont éloignésles uns des 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 familledes terres rares, quelques alliages dont lesmailles sont grandes et certaines combinaisonsd’éléments n’appartenant pas euxmêmesà cette famille.Dans les matériaux ferrimagnétiques, lesdomaines magnétiques constituent desensembles pouvant être alignés dans dessens opposés (anti-parallèles), mais leurmoment magnétique résultant diffère dezéro alors que le champ extérieur est nul(exemples de la magnétite, de l’ilménite oudes oxydes de fer). Le ferrimagnétisme s’observedans des matériaux comportant deuxtypes d’atomes se comportant comme desaimants de force différente et orientés ensens contraire. Si la somme des 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. Les matériaux paramagnétiques présententun comportement de même natureque les ferromagnétiques, 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 momentsmagnétiques s’orientent et augmentent cechamp, qui décroît cependant avec la température,l’agitation thermique désorientantles dipôles élémentaires. Les matériauxparamagnétiques perdent leur aimantationdès qu’ils ne sont plus soumis au champmagnétique. La plupart des métaux, y comprisdes alliages d’éléments ferromagnétiques,font partie de cette famille, ainsi quedes minéraux comme la pegmatite.3. Les matériaux diamagnétiques 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.Les métaux comme l’argent, l’or, le cuivre,le mercure ou le plomb, le quartz, le graphite,les gaz rares ainsi qu’une grandemajorité des composés organiques se rangentdans cette catégorie.En fait, tous les corps présentent peu ouprou ce phénomène de diamagnétisme,imputable à la déformation des orbitalesélectroniques des 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 magnétiques statiques (ne dépendantpas du temps) est la magnétostatique.Le champ magnétique forme, avec le champVue de détail des aimants pour le guidageet la propulsion du train.électrique, les deux composantes del’électromagnétisme. Des ondes peuventse propager librement dans l’espace, etdans la plupart des matériaux, dans tousles domaines de longueur d’onde (ondesradio, micro-ondes, infrarouge, visible,ultraviolet, rayons X et rayons gamma). Leschamps électromagnétiques sont donc unecombinaison de champs de force électriqueset magnétiques naturelle (le champmagnétique terrestre) ou non (de bassesfréquences comme les lignes et les câblagesélectriques, ou de plus haute fréquencecomme les ondes 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 des phénomènesélectro magnétiques de manière cohérente,de l’élec trostatique et la magnétostatiqueà la propagation des ondes. 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.