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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement sup

République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l'enseignement supérieur et de la recherche scientifique Présentée pour l'obtention du diplôme de Université de Batna2 Faculté de Technologie Département d'électrotechnique THESE DOCTORAT EN SCIENCES EN ELECTROTECHNIQUE Option: Matériaux électrotechniques Par BOUFLIGHA MESSAOUD Maitre assistant (A) à l'université de Laghouat Magister en électrotechnique (Option: Matériaux électrotechniques), université de Batna, 2005 Ingénieur d'état en électrotechnique (Option: Machines électriques), université de Bejaïa, 1992 THEME CONTRIBUTION A LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DES MATERIAUX FERROMAGNETIQUES A L'ECHELLE DES DOMAINES MAGNETIQUES PAR LA THEORIE DU MICROMAGNETISME Soutenue le 02/11/2019 devant le jury composé de: Prof. Chaghi Abdelaziz Université Mustapha Benboulaid, Batna2 Président Prof. Boukhtache Sebti Université Mustapha Benboulaid, Batna2 Rapporteur Prof. Zouzou Salaheddine Université Mohamed Khider, Biskra Examinateur Prof. Souri Mohamed Mimoune Université Mohamed Khider, Biskra Examinateur Prof. Dib Abderrahmane Université Larbi Ben M'hidi, Oum El Bouaghi Examinateur Prof. Guettafi Amor Université Mustapha Benboulaid, Batna2 Examinateur Remerciements Ce travail de thèse a été réalisé au sein de laboratoire d'électrotechnique de l'université Batna2. Mes sincères remerciements vont à dieux tout puissant pour la volonté qu'il m’a donnée pour achever cette thèse. Je tiens particulièrement à remercier mon encadreur Boukhtache Sebti, professeur à l'université Mustafa Benboulaid (Batna2) pour ses idées, sa disponibilité et son soutien moral durant l'étude et la réalisation de cette thèse. Je souhaite également remercier Monsieur Chaghi Abdelaziz Professeur à l'université Mustafa Benboulaid (Batna2) pour l'honneur qu'il m'a fait d'avoir accepté de présider ce jury. Je voudrais aussi remercier Messieurs Zouzou Salaheddine professeur à l'université Mohamed khider (Biskra), Souri Mohamed Mimoune professeur à l'université Mohamed khider (Biskra), Dib Abderrahmane professeur à l'université Larbi Ben M'hidi (Oum El Bouaghi), Guettafi Amor professeur à l'université Mustafa Benboulaid (Batna2) pour l'intérêt qui ont bien voulu apporter à ce thème de recherche et de m'honorer par leur présence en acceptant d'examiner ce travail. Un grand merci s'adresse à tous les professeurs et enseignants qui ont collaboré à ma formation depuis le magister. Enfin, je remercie mon ami Boutamine abdelmounaime pour son soutien moral. Mr. Boufligha Messaoud Dédicaces A mes parents A ma femme A mes enfants Loai, Heitem et Hiba A mes frères et sœurs A mes amis et collègues Contribution à la modélisation du comportement des matériaux ferromagnétiques à l'échelle des domaines magnétiques par la théorie du micromagnetisme Résumé Nous avons fourni les bases théoriques et numériques nécessaires pour effectuer une modélisation micromagnétique à l'échelle des domaines magnétiques. Nous avons focalisé sur l'étude de l'évolution temporelle de l'aimantation lors du processus de retournement dans une couche mince ferromagnétique de Permalloy. Les simulations micromagnétiques ont été effectuées en utilisant nos codes développés. Nous avons montré l'effet de certains paramètres sur le processus de retournement, sur la qualité des résultats et sur le temps de calcul. De même, nous avons illustré l'évolution temporelle de la distribution de l'aimantation durant le processus du retournement. Les résultats obtenus par les deux codes ont été comparés. Une validation de ces outils de calcul a été effectuée. Malgré que l'importance a été donnée au modèle micromagnétique, nous avons proposé une étude de l'évolution de l'aimantation par un modèle de type Ising. Mots clés: Simulation; micromagnétique; aimantation ; couche mince. A contribution to the modeling of the behavior of ferromagnetic materials at magnetic domains scale by the theory of micromagnetism Summary We provided the theoretical and numerical bases necessary to carry out micromagnetic modeling at magnetic domains scale. We focused on the study of the temporal evolution of magnetization during the reversal process in a ferromagnetic thin film of Permalloy. The micromagnetic simulations were achieved using our developed codes. We showed the effect of certain parameters on the reversal process, on the quality of the results and on the computational time. In the same way we illustrate the temporal evolution of the magnetization distribution during the reversal process. The results obtained by the two codes were compared. A validation of our computational tools was carried out. Although the importance was given to the micromagnetic model, we proposed a study of the evolution of magnetization by a Like-Ising model. Key words: Simulation; micromagnetic, aimantation, thin film Table des Matières Table des Matières ………………………………………………………………… I Liste des figures……………………………………………………………………………… VI Liste des symboles………………………………………………………………………….. X Introduction Générale……………………………………………………………………….. 1 CHAPITRE I INTRODUCTION AUX MATERIAUX FERROMAGNETIQUES.............. 5 Introduction……………………………………………………………………………………. 6 I.1 Etat magnétique de la matière………………………………………………………… 6 I.1.1 Introduction…………………………………………………………………………. 6 I.1.2 Le magnétisme à l'échelle atomique………………………………………….... 6 I.1.2.1 Structure atomique……………………………………………………….. 6 I.1.2.2 Moment magnétique……………………………………………………… 6 I.1.2.3 Moment magnétique orbital……………………………………………... 7 I.1.2.4 Moment magnétique de spin……………………………………………. 8 I.1.2.5 Moment magnétique atomique…………………………………………. 9 I.1.3 Du microscopique au macroscopique…………………………………………. 9 I.2 Classification des matériaux magnétiques…………………………………………. 10 I.2.1 Matériaux sans ordre magnétique…………………………………………….. 10 I.2.1.1 Matériaux diamagnétiques……………………………………………… 10 I.2.1.2 Matériaux paramagnétiques……………………………………………. 10 I.2.2 Matériaux avec ordre magnétique…………………………………………….. 11 I.2.2.1 Matériaux ferrimagnétiques……………………………………………. 11 I.2.2.2 Matériaux antiferromagnétiques………………………………………. 12 I.2.2.3 Matériaux ferromagnétiques…………………………………………… 12 I.3 Interprétation du ferromagnétisme…………………………………………………… 14 I.3.1 Théories des moments localisés……………………………………………….. 14 I.3.1.1 Théorie de champ moyen de Weiss…………………………………... 14 I.3.1.2 Théorie de Heisenberg…………………………………………………. 15 I.3.2 Théories des moments non localisés……………………………………. ….. 15 I.3.2.1 Théorie de bande de stoner…………………………………………… 15 I.3.2.2 Théorie de bande de Vonsovsky et Zener ………………………….. 15 I.4 Réponse des matériaux magnétiques à un champ extérieur……………………. 16 I.5 Propriétés qualitatives des matériaux ferromagnétiques……………………….. 16 i I.6 Catégories des matériaux ferromagnétiques……………………………………….. 17 I.6.1 Caractéristiques des matériaux ferromagnétiques doux…………………. 17 I.6.2 Caractéristiques des matériaux ferromagnétiques durs………………….. 18 Conclusion……………………………………………………………………………………. 18 Bibliographie de chapitre I………………………………………………………………….. 18 CHAPITRE II THEORIE DES DOMAINES ET PROCESSUS D'AIMANTATION…….. 20 Introduction……………………………………………………………………………………. 21 II.1 Evolution de la théorie des domaines………………………………………………. 21 II.1.1 Théorie de Weiss et concept de domaine…………………………………… 21 II.1.2 Analyse et observation expérimentale des domaines…………………….. 21 II.1.3 Le concept de la paroi………………………………………………………….. 21 II.1.4 L'effet des efforts résiduels…………………………………………………… 22 II.1.5 L'effet de la magnétostriction et de l'anisotropie………………………….. 22 II.1.6 Compétition énergétique et structure en domaines……………………… 22 II.2 Structures et modèles des domaines………………………………………………. 23 II.3 Limites de la théorie des domaines…………………………………………………. 24 II.4 Mécanismes d'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques…………….. 24 II.5 Ancrage des parois lors de leurs mouvements…………………………………… 24 II.6 Cycle d'hystérésis……………………………………………………………………… 25 II.7 Les pertes dans la matière…………………………………………………………… 25 Conclusion……………………………………………………………………………………. 26 Bibliographie de chapitre II ……………………………………………………………….. 26 CHAPITRE III THEORIE DU MICROMAGNÉTISME…………………………………… 28 Introduction……………………………………………………………………………………. 29 III.1 Le magnétisme et les échelles d'observation..…………………………………… 29 III.1.1 Echelle atomique……………………………………………………………….. 29 III.1.2 Echelles nanoscopique……………………………………………………… 29 III.1.3 Echelle microscopique………………………………………………………... 30 III.1.4 Echelles mésoscopique………………………………………………………. 30 III.1.5 Echelle macroscopique……………………………………………………….. 30 III.2 Evolution de la théorie du magnétisme…………………………………………….. 31 III.2.1 Introduction……………………………………………………………………… 31 III.2.2 Théorie de Maxwell…………………………………………………………….. 31 III.2.3 Théorie quantique……………………………………………………………… 32 ii III.3 Théorie du micromagnétisme………………………………………………………… 32 III.3.1 Naissance de la théorie du micromagnétisme……………………………. 32 III.3.2 Les Concepts de la théorie du micromagnétisme………………………... 32 III.3.3 Le but de la théorie du micromagnétisme…………………………………. 33 III.3.4 Hypothèses de la théorie du micromagnétisme………………………….. 33 III.3.5 Les paramètres micromagnétiques………………………………………… 34 III.4 Comparaison des modèles atomistique et micromagnétique………………… 34 III.5 Energie libre d'un système ferromagnétique…………………………………… 35 III.6 Contributions à l'énergie libre d'un système ferromagnétique………………… 36 III.6.1 L'énergie d'échange……………………………………………………………. 36 III.6.2 L'énergie d'anisotropie magnéto-cristalline………………………………. 37 III.6.3 L'énergie Zeeman……………………………………………………………… 38 III.6.4 L'énergie magnétostatique…………………………………………………… 39 III.6.5 La magnétostriction et l'énergie magnétoélastique……………………… 41 III.7 Energie totale d'un système ferromagnétique……………………………………. 42 III.8 Développement des équations micromagnétiques………………………………. 43 III.8.1 Les équations de Brown……………………………………………………… 43 III.8.2 Equation de la dynamique d'aimantation………………………………….. 44 Conclusion……………………………………………………………………………………. 47 Bibliographie de chapitre III……………………………………………………………….. 47 CHAPITRE IV METHODOLOGIE DE CALCUL NUMERIQUE MICROMAGNETIQUE…………………………………….. 49 Introduction……………………………………………………………………………………. 50 IV.1 Les caractères des équations micromagnétiques………………………………. 50 IV.2 Solution analytique des équations micromagnétiques…………………………. 50 IV.3 Le calcul numérique micromagnétique……………………………………............ 50 IV.4 La méthode statique…………………………………………………………………… 51 IV.4.1 Introduction……………………………………………………………………… 51 IV.4.2 Choix de la méthode de minimisation………………………………………. 51 IV.4.2.1 Les algorithmes déterministes……………………………………………. 51 IV.4.2.2 Les algorithmes stochastiques………………………………………… 52 IV.5 La méthode dynamique…………………………………………............................... 52 IV.5.1 Choix du système de coordonnées………………………………………... 53 IV.5.2 Evaluation de champ effectif………………………………………………... 53 iii IV.5.2.1 Contributions au champ effectif en coordonnées Cartésiennes………………………………………………………….. 53 IV.5.2.1.1 Contribution de champ extérieur……………………... 53 IV.5.2.1.2 Contribution de champ d'anisotropie magnetocristalline……………………………………….. 53 IV.5.2.1.3 Contribution de champ d'échange…………………… 54 IV.5.2.1.4 Contribution de champ démagnétisant…………….. 55 IV.5.2.1.5 Contribution de champ thermique…………………… 56 IV.5.2.2 Contributions au champ effectif en coordonnées sphériques 57 IV.5.2.2.1 Contribution de champ extérieur…………………….. 57 IV.5.2.2.2 Contribution de champ d'anisotropie Magnetocristaline……………………………………….. 58 IV.5.2.2.3 Contribution de champ d'échange…………………… 58 IV.5.2.2.4 Contributions des champs thermique et démagnétisant …………………………………………... 59 IV.5.3 Solution de l'équation de la dynamique de l'aimantation……………….. 59 IV.5.4 Choix du schéma d'intégration temporelle et critère d'arrêt…………… 60 IV.5.5 Organigramme de calcul numérique micromagnétique………………... 62 Conclusion……………………………………………………………………………………. 62 Bibliographie de chapitre IV……………………………………………………………….. 63 CHAPITRE V ETUDE DE L'EVOLUTION DE L'AIMANTATION DANS UNE COUCHE FERROMAGNETIQUE MINCE…………………… 65 Introduction……………………………………………………………………………………. 66 V.1 Etude de l'évolution de l'aimantation par le modèle micromagnétique……….. 66 V.1.1 Les modes de retournement de l'aimantation……………………………….. 66 V.1. 2 Notion d'une couche mince…………………………………………………… 66 V.1. 3 Choix et caractéristiques du matériau………………………………………. 66 V.1. 4 Les outils de calcul micromagnétique……………………………………….. 66 V.1. 5 Les approximations implémentées dans les codes de calcul………….. 66 V.1. 6 Présentation des résultats………………...………………………………….. 67 V.1.6.1 L'effet de la taille de la cellule de discrétisation…………………. 68 V.1.6. 2 Evolution temporelle de la distribution de l'aimantation durant le processus de retournement……………………………… 69 V.1.6. 3 L'effet de la température…………………………………………….. 72 iv v V.1.6. 4 L'effet de l'intensité de champ appliqué………………………….. 74 V.1.6. 5 L'effet de l'aimantation à saturation et de la constante d'échange……………………………………………………………….. uploads/Litterature/ boufligha-messaoud-these-version-final.pdf