La magnétostriction et la magnétostriction inverse (effet magnéto-mécanique) désignent les propriétés que possèdent les matériaux ferromagnétiques de se déformer en fonction de l'orientation de leur aimantation, par exemple sous l'influence d'un champ magnétique extérieur, ou de voir leur susceptibilité magnétique, ou leur aimantation, évoluer en présence de contraintes mécaniques.

La magnétostriction est mise à profit pour développer des dispositifs innovants comme des capteurs ou des actionneurs magnétiques. Elle peut aussi être "indésirable" comme dans la magnéto-électronique souple où les déformations mécaniques peuvent altérer les propriétés magnétiques des nanostructures telles que les nanoplots, les nanofils ou les films minces, déposées dans ce cas sur des substrats souples. Il était donc important de pouvoir quantifier les effets de ces déformations, transmises du substrat sous chargement aux nanostructures, sur les propriétés magnétiques de ces dernières, pour bien concevoir ces systèmes et optimiser leur fonctionnement.

C'est pourquoi, nous développons dans ce travail un outil de simulation numérique par éléments finis du comportement magnéto-mécanique de nanostructures déposées sur substrats (souples), capable de décrire, comme nous le montrerons, les effets des déformations mécaniques transmises du substrat vers les nanostructures, sur la réponse magnétique de ces dernières.

Pour développer cet outil de simulation, nous avons implanté dans COMSOL multiphysics®, en couplage fort, l'équation de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG), couplée aux équations de la magnétostatique et aux équations de la mécanique (déjà disponibles pour les dernières en standard dans COMSOL multiphysics®). Dans la LLG, nous avons pris en compte en plus de l'énergie magnéto-élastique, trois autres contributions énergétiques, de Zeeman, d'échange, et magnétostatique.

L'outil de simulation ainsi obtenu a été progressivement validé en traitant différents exemples bien choisis. Ces exemples concernent le calcul de la précession de Larmor au sein d'une sphère magnétique soumise à un champ magnétique extérieur sans amortissement, le calcul du champ démagnétisant dans successivement un disque et une sphère magnétiques, une comparaison avec un logiciel dédié au micromagnétisme (NMAG), portant sur la description de la relaxation de l'aimantation, sous l'effet du seul champ magnétostatique, et enfin le retournement du champ magnéto-élastique sous l'effet d'une déformation homogène croissante.

Une fois validé, l'outil de simulation numérique a été déployé pour étudier la réponse d'un objet magnétique déposé sur un substrat soumis à un chargement mécanique (de traction). En particulier, le rôle de l'épaisseur sur le transfert de charge substrat/nanostructure et par conséquent, sur les propriétés magnétiques de la nanostructure, a été mis en exergue. Ainsi, l'aimantation de la nanostructure, initialement orientée selon une direction donnée (ici x), reste d'abord inchangée en raison de l'anisotropie de forme, et tant que l'anisotropie magnéto-élastique n'a pas été prise en compte. Une fois cette dernière "activée", elle a pour effet de faire tourner graduellement l'aimantation le long de la direction perpendiculaire (ici y), en augmentant la déformation appliquée au substrat. Il ressort de ces simulations que ce retournement peut être "retardé" pour des nanostructures en prenant des épaisseurs plus grandes, chose qui n'est pas atteignable pour des dépôts magnétiques continus (films minces) pour les mêmes épaisseurs.

Références :

1- N. Challab, F. Zighem, D. Faurie, M. Haboussi, M. Belmeguenai, P. Lupo, and A. O. Adeyeye, Local Stiffness Effect on Ferromagnetic Response of Nanostructure Arrays in Stretchable Systems, Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters, Volume 13, Issue 2, Article number 1800509, 2018.

2- Challab N., Aboumassound D. A., Zighem F., Faurie D., Haboussi M., Micromagnetic modelling of nanostructures subject to heterogeneous strain fields, soumis dans Journal of Physics D (2019).