Des aimants miniatures fabriqués à partir de nanoparticules

Publié par Adrien le 19/04/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
En manipulant des nanobâtonnets de cobalt, des chercheurs et des chercheuses ont mis au point une technique de synthèse d'aimants microscopiques, dont ils contrôlent la géométrie et qu'ils peuvent déposer en un endroit précis d'une puce électronique.

L'intégration d'aimants sur puce est d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs,...) pour la réalisation de dispositifs portables conçus pour les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...), l'automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...), les applications biomédicales et spatiales. A l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle, les aimants macroscopiques les plus performants sont à base de terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le...) et obtenus par des procédés métallurgiques qui ne peuvent répondre aux problématiques d'intégration et de miniaturisation. De plus, le remplacement des aimants à base de terres rares est non seulement motivé par des enjeux macro-économiques, mais également par le coût environnemental important lié à l'extraction minière de ces métaux.


A gauche vue au microscope des bâtonnets de cobalt (Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de...) déposés après évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...), de telle sorte à constituer un microaimant, entre deux plots de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) (à droite).
Crédit Lise-Marie Lacroix, LPCNO

Des approches alternatives ont de ce fait été intensément étudiées ces dernières décennies et il existe deux méthodes principales pour l'intégration d'aimants dans des dispositifs portatifs: l'élaboration de couches minces par des techniques de dépôt utilisées en microélectronique, et la structuration de composites polymères magnétiques. Cependant, aucune de ces techniques ne permet actuellement de répondre aux critères d'application clés que sont l'intégrabilité (température de procédé modérée), la performance (forte densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) énergétique) et l'épaisseur (importante pour permettre une grande portée des champs rayonnés).

Des chercheurs et des chercheuses du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) des nano-objets (LPCNO, INSA Toulouse/Univ. Toulouse Paul Sabatier) en collaboration avec le Laboratoire d'analyse et d'architecture (L’architecture peut se définir comme l’art de bâtir des édifices.) des systèmes (LAAS-CNRS), ont développé une méthode alternative (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié...) de conception d'aimants basée sur l'assemblage de briques élémentaires, des nanobâtonnets de cobalt, à la façon d'un jeu de construction. Ces nanobâtonnets sont synthétisés par voie chimique: grâce à leur caractère cristallin et leur rapport de forme élevé, ils se comportent chacun comme des nanoaimants. Dispersés dans une suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) dense, ils sont assemblés et compactés par évaporation sous champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...), ce qui permet de moduler les propriétés de l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...) obtenu.

Les scientifiques ont notamment montré qu'il est possible de fabriquer localement des aimants de fortes épaisseurs (jusqu'à plusieurs centaines de micromètres). Pour cela, il suffit de jouer sur la vitesse (On distingue :) d'évaporation du solvant (Un solvant (également nommé en suisse romande thinner pour les solvants puissant) est un...) dans lequel sont dispersés les nanobâtonnets, ainsi que sur la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) induite par des plots de nickel placés sur le substrat, qui attire les particules vers les zones où règnent un gradient de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique (force magnétophorétique). Ce procédé économique et rapide permet de fabriquer des aimants offrant des propriétés magnétiques intermédiaires entre les ferrites, peu coûteuses mais peu performantes, et les aimants à base de terres rares, qui sont à l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) efficaces mais chers. Les résultats de l'étude sont publiés dans ACS Nano.

La preuve de concept de cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :), apportée par l'utilisation d'un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) gravimétrique en silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...), a mis en évidence le potentiel d'intégration et d'efficacité de ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) magnétiques au sein de dispositifs nomades. Adaptée également à la réalisation d'aimants doux à base de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...), cette technique pourrait augmenter les performances des inductances et d'en réduire la taille, et répondre ainsi au besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de montée en fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des circuits radiofréquences imposée par les nouveaux besoins des communications sans fils pour la téléphonie mobile (La téléphonie mobile désigne toute l'infrastructure de télécommunication permettant d'utiliser...) et l'internet des objets (L'Internet des objets représente l'extension d'Internet à des choses et à des lieux...).

Référence:
Magnetophoresis-Assisted Capillary Assembly: A Versatile Approach for Fabricating Tailored 3D Magnetic Supercrystals.
P. Moritz, A. Gonon, T. Blon, N. Ratel-Ramond, F. Mathieu, P. Farger, J.-M. Asensio-Revert, S. Cayez, D. Bourrier, D. Saya, L. Nicu, G. Viau, T. Leichle, L.-M. Lacroix. ACS Nano. Publié le 23 février 2021.
DOI: doi.org/10.1021/acsnano.0c10215
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