PhD THESIS on NEUTRON REFLECTIVITY

Etude de couches minces magnétiques par
réflectivité de neutrons polarisés.
Diffusion hors spéculaire sur des structures périodiques.

F. OTT (1998) Université Paris XI

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Sommaire (Sommaire)

Introduction      1       (Introduction)

I. La réflectivité de neutrons polarisés avec analyse de polarisation.    9       (Chapitre1a)

A. Interaction neutron-matière. 9

1. Le neutron.         9

2. Potentiels d’interaction neutron-matière.        10

3. Propagation d’un neutron dans un champ magnétique uniforme.       12

B. Les techniques de réflectivité.         20

1. Indice optique en neutrons.       20

2. Réflexion totale, angle critique.  21

3. Détermination des longueurs de diffusion et de l’indice optique.       22

4. Réflexion sur un milieu homogène.        23

5. Réflexion sur un système multicouche.  24

C. Réflectivité d’un système de couches minces magnétiques.      27

1. Informations accessibles en réflectivité de neutrons polarisés avec analyse de polarisation.       27

2. Géométrie de réflectivité.          29

3. Réflexion sur un système de couches magnétiques idéales : homogènes et sans rugosité. 29

4. Illustration de la réflectivité de neutrons polarisés sur un dioptre magnétique.       35

5. Sensibilité de la technique de réflectivité de neutrons polarisés dans la détermination de profils d’aimantation. 42

6. Inversion des profils expérimentaux.     45

7. Réflexion sur des couches non idéales.  50

D. Description des dispositifs expérimentaux.      56     (Chapitre1b)

1. Description du spectromètre PADA (G.2.2) du Laboratoire Léon Brillouin.     56

2. Utilisation pratique du spectromètre PADA.      61

3. Traitement des erreurs expérimentales. 62

E. Nouvelle technique de mesure de cycles d’hystérésis par réflectivité de neutrons polarisés.      68

1. Intérêt de faire des mesures des cycles d’hystérésis par réflectivité de neutrons.  68

2. Exemples de calculs théoriques. 69

3. Exemples d’un système de couches magnétiques simples.     71

4. Exemple d’un système de bicouches magnétiques.     74

5. Conclusion et perspective.        77

F. Effet de l’énergie Zeeman dans les mesures de réflectivité de neutrons polarisés.    78

1. Séparation spatiale.       78

2. Asymétrie des signaux de spin-flip non symétriques dans les mesures de réflectivité.       79

3. Effet des gradients de champ    80

G. Problème de polarisation du faisceau de neutrons. 81

1. Quelques mesures expérimentales.       81

2. Origine de l’effet et correction du problème.    82

H. Conclusion     83

II. Détermination d’informations magnétiques vectorielles par technique magnéto-optique. 87

A. Effets magnéto-optiques. Définitions et terminologie.      87 (Chapitre2a)

B. Réflectivité d’un système de multicouches non isotropes.         89

1. Notations et formalisme.  89

2. Propagation d’une onde plane dans un milieu non isotrope.    90

3. Réflectivité optique d’un système de multicouches.    93

C. Dispositif expérimental de mesures par effet Kerr. 95

1. Description générale du montage.        95

2. Description du modulateur électro-optique.     96

D. Détermination des composantes planaires de l’aimantation d’un film mince par technique magnéto-optique.     97 (Chapitre2b)

1. Méthode utilisant une rotation du champ magnétique. 97

2. Détermination de la direction de l’aimantation sans rotation du champ magnétique extérieur.      99

3. Conclusion.         104

E. Obtention d’informations magnétiques résolues en profondeur par technique magnéto-optique.       106 (Chapitre2c)

1. Technique basée sur le principe de l’analyseur tournant.       106

2. Approche plus systématique.     108

F. Parallèle entre les techniques magnéto-optiques et de réflectivité de neutrons.        112

G. Conclusion.   114

III. Détermination de profils d’aimantation dans des multicouches magnétiques soumises à des déformations mécaniques.   117 (Chapitre3)

A. Les anisotropies magnétiques.        117

1. Energie magnéto-cristalline.      117

2. Energie d’anisotropie de forme.  118

3. Energie magnéto-élastique.       119

4. Relations entre les constantes magnéto-élastiques et les constantes de magnétostriction.        121

5. Comportement magnétique de couches minces soumises à des contraintes de déformation.       122

B. Profils de constantes magnéto-élastiques dans des couches simples de nickel. 123

1. Détermination de profils d’aimantation dans des couches simples de nickel soumises à des déformations mécaniques.  125

2. Modélisation des résultats par un gradient de constantes ME.         130

3. Conclusion.         133

C. Création de couplages magnétiques quadratiques dans des systèmes de tricouches par application de déformations mécaniques.         133

1. Système d’alliage nickel-fer à composition modulée.   134

2. Effet de déformations mécaniques sur des systèmes de bicouches avec espaceur non magnétique.      137

D. Conclusion.   141

IV. Problèmes à deux dimensions : diffusion sur des structures lithographiées.     145

A. Approximation de Born. 145 (Chapitre4a)

1. Equation intégrale de la diffusion.        145

2. Approximation de Born.   147

3. Développement de Born.  148

4. Approximation de Born généralisée. Distorted Wave Born Approximation (DWBA).   149

B. Calcul dynamique de la diffraction par un réseau.    151

1. Cas non magnétique.      151

2. Cas magnétique.  155

C. Techniques de lithographie de réseaux. 162 (Chapitre4b)

Principe de la technique.     162

Résultats expérimentaux.    163

D. Utilisation de réflectomètres en diffusion hors spéculaire.        167  (Chapitre4c)

1. Géométrie de diffusion hors spéculaire. 167

2. Condition de diffraction.  167

3. Augmentation de la période effective d’un réseau.     168

4. Les différents modes de mesure sur un spectromètre deux axes.     171

5. Les différents modes de mesure sur un spectromètre en temps de vol.       172

6. Fonction de résolution du spectromètre EROS. 173

E. Diffusion hors spéculaire sur des structures lithographiées.     174

1. Influence des différents paramètres d’un réseau sur les modes de diffraction.       174

2. Diffusion sur des réseaux lithographiés. Comparaison entre mesures expérimentales et simulations numériques. 176

3. Augmentation des efficacités de diffraction.    183

4. Conclusion.         189

F. Etude par diffusion hors spéculaire de neutrons du comportement magnétique de nanostructures lithographiées.     190 (Chapitre4d)

1. Diffraction sur des réseaux de lignes lithographiées.   191

2. Diffraction de surface sur un réseau de domaines magnétiques ordonnés.   196

3. Conclusion.         200

G. Utilisation de supermiroirs gravés pour l’analyse en énergie d’un faisceau de neutrons.    201

1. Principe du système d’analyse par réseau gravé.       201

2. Problèmes de résolution et optimisation du dispositif.  202

H. Conclusion.   203

 

Conclusions et perspectives.       205  (Conclusion)

 

Annexe A  : Interaction neutron-couche magnétique infinie.    213  (AnnexesABCD)

Annexe B : Calcul de la réflectivité optique d’un système de couches minces.   215

Annexe C : Fonction de transfert d’un ellipsomètre à polariseur tournant. 217

Annexe D  : Détails du calcul dynamique de la diffraction sur un grating et description de l'implémentation numérique. 219

Annexe E : Analyse d’un faisceau de neutrons par utilisation d’un dispositif de Stern-Gerlach : analyse de spin et analyse en énergie.    222 (AnnexeE)

 

Références bibliographiques.      231 (Biblio)

 

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Chapitre 1a Chapitre 1b

Chapitre 2a Chapitre 2b Chapitre 2c Chapitre 2d

Chapitre 3

Chapitre 4a Chapitre 4b Chapitre 4c Chapitre 4d