Mesure d`aimantion sur nanoparticule unique grâce à un résonateur

Proposition de thèse 2010
Résonateurs électro-mécaniques à nanotube de carbone :
Vers la magnétométrie d’une nanoparticule magnétique unique.
Laboratoire de Physique et de Chimie des Nano-objets UMR 5215 (INSA -UPS-CNRS)
INSA, Département de Génie Physique
135 avenue de Rangueil, 31077 Toulouse Cedex 4 France.
Centre d’Elaboration des Matériaux et d’Etudes Structurales – CNRS.
29 rue Jeanne Marvig – BP 94347.
31055 Toulouse Cedex.
Contacts :
Benjamin Lassagne: [e-mail], [phone]
Thierry Ondarçuhu: [email protected], [phone]
Financement de thèse PRES « Université de Toulouse » de 3 ans
Diverses technologies sont envisagées afin de développer des techniques de magnétométrie dont la
sensibilité pourrait atteindre la limite du magnéton de Bohr (µB). Les nano-résonateurs électro-mécaniques à
nanotube de carbone (REMNT) constituent une des solutions les plus prometteuses. En effet, des études
théoriques [1] ont permis de montrer qu’un REMNT pourrait permettre de mesurer le cycle d’hystérésis
magnétique d’un nano-objet magnétique unique telle une nanoparticule de petites dimensions ou un aimant
moléculaire, cela, sur une large gamme de champ magnétique et de température. Cette méthode originale et
nouvelle devrait donner accès à des mesures plus précises des grandeurs magnétiques fondamentales comme
l’anisotropie, le moment magnétique ainsi que les mécanismes de retournement de l’aimantation (rotation
cohérente, vortex, effet tunnel magnétique) à l’échelle nanométrique. En effet, à ce jour aucune technique de
magnétométrie n’a la sensibilité pour caractériser une nanoparticule unique ayant un moment magnétique
inférieur à 1000 µB.
Les REMNT (cf figure a) ont récemment démontré un fort potentiel comme détecteurs ultrasensibles de
force/masse [2, 3]. En effet, ils permettent la mesure de la masse de quelques atomes [2, 4, 5] à basse
température, ce qui surpasse de loin les meilleures micro et nanobalances fabriquées jusqu’à ce jour en
technologie silicium. Ces résultats expérimentaux laissent entrevoir les performances des REMNT comme
détecteurs de forces.
SiO
2
Au
A
-F
F
Si
Au
a)
Au
Au
SiO
2
b)
a) Image par microscopie électronique d’un résonateur à nanotube. Le nanotube est indiqué par une flèche. b)
Schéma des connexions du nanotube (excitation et mesure) permettant de caractériser ses vibrations
mécaniques. La particule de moment magnétique m
est soumise au couple de force Γ
Florsqu’on applique le
champ magnétique
B
. Ce couple déforme le nanotube.
Le principe de magnétométrie avec un REMNT consiste à greffer chimiquement une particule
magnétique unique sur le nanotube (cf figure b) et de mesurer l’interaction magnétique entre la particule et un
champ magnétique externe grâce au nanotube. En effet, le couple induit par la force magnétique donne lieu à

une rotation de la nanoparticule qui va déformer le nanotube et modifier sa fréquence de résonance mécanique
naturelle. Les premières simulations numériques ont démontré que les nanotubes permettraient d’atteindre des
sensibilités exceptionnelles à basse température de l’ordre de quelques µB ce qui en ferait une des techniques
les plus sensibles qui soit à l’heure actuelle [1].
Le sujet de thèse que nous proposons est pluridisciplinaire, original et très innovant. La réussite du
projet passe par la maitrise de plusieurs étapes allant de la fabrication des résonateurs, à leur caractérisation
électromécanique et à la mesure des propriétés magnétiques d’un objet unique avec un REMNT.
 Fabrication de REMNT :
L’étudiant(e) fera croître les nanotubes de carbone par croissance catalytique en phase vapeur localisée sur
substrat (le banc de croissance est déjà opérationnel) et fabriquera les REMNT par des techniques de micro et
nano fabrication accessibles au LAAS.
 Caractérisation électromécaniques des REMNT
L’étudiant(e) mesurera les propriétés électromécaniques des REMNT par des techniques de mesures
radiofréquences et des techniques de mixage, le but étant de maîtriser les propriétés mécaniques des REMNT et
d’améliorer les performances du dispositif comme magnétomètre. Cela impliquera notamment d’améliorer et
d’optimiser les étapes technologiques, le design des dispositifs et idéalement d’effectuer des études de bruit
électronique et de bruit mécanique afin de comprendre leur influence sur la sensibilité magnétique.
 Dépôt de particules magnétiques sur le nanotube.
L’étudiant(e) prendra en charge les dépôts de nanoparticules magnétiques sur un REMNT. Pour ceci, il (elle)
utilisera deux techniques de dépôts, une par électrospray (en cours d’acquisition) et l’autre, dérivée de
techniques de microscopie de champ proche [6], consiste à déposer localement des nano-gouttes de solution de
nanoparticules. Cette dernière technique sera développée au CEMES. L’étudiant(e) travaillera en étroit contact
avec l’équipe de chimie du LPCNO qui réalise la synthèse chimique de nanoparticules, et participera à la
fonctionnalisation chimique des nanoparticules en vue de leur greffage sur les nanotubes de carbone.
 Mesures des propriétés électromécaniques des nanotubes de carbone sous champ magnétique et à
basse température, et mesure des propriétés magnétiques de nanoparticules.
L’étudiant(e) réalisera les mesures des propriétés électromécaniques des REMNT ainsi que les études
magnétiques des nanoparticules grâce au REMNT dans un cryostat (1.5K-300K) équipé d’une bobine
magnétique deux axes permettant d’obtenir des champs de quelques Teslas. L’objectif final sera de déterminer
les propriétés magnétiques d’une nanoparticule magnétique unique de petit diamètre (1nm) à partir de la
dépendance magnétique des propriétés électromécaniques des nanotubes de carbone.
En résumé, ce sujet s’adresse à des étudiant(e)s ayant une solide formation en physique, intéressé(e)s par les
nanosciences expérimentales à la fois sur les aspects nano-fabrication et mesure physique, et prêt à
travailler dans un cadre très multidisciplinaire à l’interface physique/technologie/chimie.
Références:
[1] B. Lassagne & M. Respaud, en préparation.
[2] B. Lassagne & col, Nano Lett. 8 , 3735 (2008).
[3] B. Lassagne & col, Science, 325, 1107 (2009).
[4] K. Jensen & col, Nature Nanotech. 3, 533 (2008).
[5] Chiu, & col, Nano Lett. 8, 4342 (2008).
[6] A. Fang, E. Dujardin, T. Ondarçuhu, Nano Lett. 6, 2368 (2006)