Les aimants permanents sont des matériaux ferromagnétiques durs possédant une aimantation spontanée dans une direction et stockant de l’énergie magnétique restituée intégralement à l’extérieur. Certains microsystèmes électromécaniques (MEMS) utilisent ces sources d’énergie magnétique pour l’actionnement ou encore pour la conversion d’énergie. L’objectif de ces travaux de thèse est de développer des aimants permanents de dimensions sub-millimétriques en s’affranchissant des terres rares, qui soient performants et intégrables lors de la fabrication de dispositifs MEMS en salle blanche. L’approche par assemblage dirigé sous champ magnétique de nanobâtonnets (NBs) de cobalt en suspension colloïdale est choisie pour former des nanomatériaux denses et anisotropes.
L’optimisation de la synthèse de NBs et de leur mise en forme permettent de réaliser des aimants sur un substrat de silicium. Ils offrent un champ coercitif atteignant 490 kA.m-1, valeur élevée signe d’une forte anisotropie magnétique des NBs, ainsi qu’un rapport d’aimantation rémanente sur aimantation à saturation de 0,93 résultant d’un très bon alignement des NBs au sein de l’aimant. L’analyse de la texture des aimants par diffraction des rayons X permet de mesurer la largeur des distributions angulaires des NBs, inférieures à 12° et 16° respectivement dans le plan du substrat et hors du plan. Une cartographie de l’induction magnétique rayonnée par les aimants est réalisée à l’aide d’une microsonde à effet Hall. Celle-ci permet d’évaluer la fraction volumique en cobalt métallique atteignant 36%, aboutissant à un produit énergétique maximum de l’aimant de 50 kJ.m-3. La preuve de concept de l’actionnement de MEMS à l’aide de tels aimants nanostructurés est ensuite vérifiée par la mise en résonance de dispositifs à transduction électromagnétique.
La méthode d’assemblage capillaire de NBs de cobalt assistée par magnétophorèse est ensuite développée pour élaborer des aimants de dimensions contrôlées. Des aimants autosupportés de dimensions millimétriques sont tout d’abord fabriqués, avant de réaliser des aimants sur un substrat de silicium. Ils présentent des dimensions latérales comprises entre 100 µm et 500 µm ainsi que des épaisseurs comprises entre 25 µm et 150 µm. Pour les réaliser, des plots de nickel sont électrodéposés afin de créer des gradients de champ magnétique dirigeant l’assemblage des particules. Les propriétés magnétiques et structurales des aimants montrent que la technique de mise en forme par magnétophorèse ne dégrade pas la qualité intrinsèque de l’alignement des NBs. Les mesures d’induction magnétique rayonnée montrent une augmentation des performances lorsque la taille des plots de nickel est minimisée. Le procédé de dépôt est enfin amélioré en jouant sur le nombre de dépôts et de séchages, et la quantité de matière nécessaire est optimisée à l’aide d’une fonctionnalisation de surface du silicium et de l’élaboration d’un masque de résine autour des plots de nickel. L’ensemble des étapes de fabrication des aimants étant compatibles avec les techniques utilisées en salle blanche, ce travail ouvre des perspectives d’intégration d’aimants au sein de procédés d’élaboration de dispositifs issus de la microélectronique. |
Permanent magnets are hard ferromagnetic materials delivering a spontaneous magnetization in a direction and storing magnetic energy which is entirely released outside. Some microelectromechanical systems (MEMS) take benefits of this energy for actuation or for conversion. The purpose of this thesis is to fabricate rare-earth free permanent magnets at a sub-millimeter scale offering high performances and being compatible with MEMS fabrication process. A directed assembly of cobalt nanorods (NRs) under magnetic field is studied and optimized to fabricate anisotropic materials.
Firstly, the optimization of the NRs synthesis allows preparing magnetic layer onto silicon substrates. They exhibit a high coercive field, reaching 490 kA.m-1, indicating the strong magnetic anisotropy of the NRs, and a ratio between the remnant magnetization and the saturation magnetization equals to 0.93, leading to a very good NRs alignment inside the magnet. The texture analysis by X-ray diffraction provides the quantitative measurement of the angular distributions of the NRs in plane and out of plane of 12° and 16° respectively. The mapping of the magnetic induction generated by the magnet is realized using a Hall effect micro-probe. The volume fraction of metallic cobalt is estimated, reaching 36 %, providing a maximum energy product of 50 kJ.m-3. Finally, the first proof of concept of the MEMS actuation is realized by approaching these nanostructured permanent magnets close to electromagnetic transduction devices to obtain well defined resonance peaks.
In a second step, capillary assembly of cobalt NRs directed by magnetophoresis is developed to obtain patterned magnets presenting controlled dimensions. Self-standing millimeter magnets are firstly produced, before realizing magnets on a silicon substrate. These magnets present lateral dimensions between 100 µm and 500 µm and a thickness between 20 µm and 150 µm. To do that, nickel blocks are electrodeposited on the substrate to create magnetic field gradients guiding the particles during the deposit. Magnetic and structural characterizations of the magnet reveal that the patterning method does not affect the intrinsic quality of the NRs alignment. Then, the magnetic induction profiles evidences better performances when the nickel blocks size are removed. The fabrication process is improved by optimizing the number of deposits and dryings, and the amount of material required is minimized combining surface functionalization and the elaboration of a resist mask around the nickel blocks. All of these steps are compatible with the techniques conventionally used in clean room, this work open therefore numerous perspectives for the full integration of permanent magnet in a MEMSS fabrication process realized in clean room. |