Electrodéposition sous champ magnétique de zinc et de fer

Electrod´eposition sous champ magn´etique de zinc et de
fer.Propri´et´es magn´etiques des arborescences de fer
Vasile Heresanu
To cite this version:
Vasile Heresanu. Electrod´eposition sous champ magn´etique de zinc et de fer.Propri´et´es
magn´etiques des arborescences de fer. Mati`ere Condens´ee [cond-mat]. Universit´e Joseph-
Fourier - Grenoble I, 2003. Fran¸cais. <tel-00004123>
HAL Id: tel-00004123
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Thèse
présentée par
Vasile Heresanu
pour obtenir le titre de
Docteur de l’Université Joseph Fourier- Grenoble 1
(Arrêtés ministériels du 5 juillet 1984 et du 30 mars 1992)
Spécialité: Physique
Electrodéposition sous champ magnétique de
zinc et de fer. Propriétés magnétiques des
arborescences de fer
Soutenue le 7 novembre 2003
Composition du jury:
Rapporteurs: J.-P. Chopart
J.M.D. Coey
Examinateurs: A.Alemany
J.-L. Porteseil
R. Ballou
P. Molho
Thèse préparée au sein du laboratoire Louis Néel - CNRS - Grenoble
(Laboratoire associé à l’Université Joseph Fourier - Grenoble)

7
Sommaire
Introduction..........................................................................................................................................................9
Chapitre I Dépôts électrochimiques arborescents.................................................................................13
I.1 Généralités sur l'électrodéposition ....................................................................................................13
I.2 Electrodéposition en cellule fine .......................................................................................................17
I.2.1 Rappels historiques.....................................................................................................................17
I.2.2 Caractéristiques techniques des croissances quasi 2D ..............................................................19
I.2.3 Un modèle de l'électrodéposition quasi 2D. ..............................................................................20
I.2.4 Mouvements convectifs en cellule fine .....................................................................................24
I.2.5 Morphologies..............................................................................................................................28
I.2.6 Dissolution cathodique...............................................................................................................35
Chapitre II Elaboration et techniques de caractérisation des arborescences...............................39
II.1 Elaboration des arborescences .........................................................................................................39
II.1.1 Géométrie circulaire..................................................................................................................39
II.1.2 Géométrie parallèle ...................................................................................................................41
II.1.3 Application d’un champ magnétique........................................................................................41
II.1.4 Rotation mécanique...................................................................................................................42
II.2 Caractérisation morphologique ........................................................................................................43
II.2.1 Microscopie électronique à balayage (SEM) ...........................................................................44
II.2.2 Microscopie électronique à transmission (TEM).....................................................................45
II.2.3 Microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à force magnétique (MFM) ...............49
II.3 Caractérisation magnétique...............................................................................................................50
II.3.1 Magnétomètre à extraction .......................................................................................................50
II.3.2 Magnétomètre à échantillon vibrant (VSM) ............................................................................51
II.3.3 Magnétomètre à SQUID ...........................................................................................................51
Chapitre III Effets d'un champ magnétique sur les arborescences.................................................53
III.1 Effets d'un champ magnétique dans l'électrodéposition.................................................. 53
III.2 Effets d’un champ magnétique normal sur les arborescences non magnétiques de zinc.. 56
III.2.1 Etat de l'art ...............................................................................................................................57
III.2.2 Effets du champ en fonction de l'épaisseur de la cellule........................................................58
III.2.3 Effet du champ en fonction de la concentration de la solution ..............................................63
III.2.4 Expériences complémentaires .................................................................................................64
III.2.5 Considérations sur le mouvement de la solution ....................................................................67
III.2.6 Effets du champ magnétique sur le courant............................................................................77
III.2.7 Effets d'un champ magnétique normal à petite échelle ..........................................................82
III.2.8 Observations TEM...................................................................................................................87
III.2.9 Dissymétrie des branches ........................................................................................................91
III.3 Effets d'un champ magnétique parallèle sur les arborescences de zinc .................................92
Chapitre IV Effets d'un champ magnétique sur les arborescences magnétiques de fer ...........95
IV.1 Elaboration..........................................................................................................................................95
IV.1.1 Conditions de croissance.........................................................................................................95
IV.1.2 Récupération des arborescences..............................................................................................97

8
IV.2 Morphologies obtenues ................................................................................................................... 98
IV.2.1 Morphologie DBM.................................................................................................................. 98
IV.2.2 Morphologie ramifiée ("sparse") et autres morphologies.................................................... 101
IV.3 Effets d'un champ magnétique normal sur les arborescences magnétiques de fer............ 101
IV.3.1 Effet d'un champ magnétique normal sur la morphologie................................................... 101
IV.3.2 Spirales dans le cas de fer ? .................................................................................................. 104
IV.3.3 Effets d'un champ magnétique sur le courant ...................................................................... 107
IV.4. Effets d'un champ magnétique parallèle sur les arborescences magnétiques de fer........ 109
IV.4.1 Observations microscopiques............................................................................................... 110
IV.4.2 Expériences complémentaires .............................................................................................. 115
IV.4.3 Explication du rectangle ....................................................................................................... 120
Chapitre V Etude des arborescences flottantes en utilisant le rayonnement synchrotron
(ESRF)....................................................................................................................................... 125
V.1 Micro-imagerie ................................................................................................................................. 127
V.2 Micro diffraction .............................................................................................................................. 129
V.3 Micro-absorption.............................................................................................................................. 131
Chapitre VI Arborescences adsorbées de fer ....................................................................................... 133
VI.1 Elaboration....................................................................................................................................... 133
VI.2 Morphologies obtenues ................................................................................................................. 136
VI.2.1 Arborescences adsorbées sur verre....................................................................................... 136
VI.2.2 Arborescences adsorbées sur Kapton................................................................................... 138
VI.2.3 Considérations sur la morphologie....................................................................................... 139
VI.3 Effets d’un champ magnétique .................................................................................................... 142
Chapitre VII Propriétés magnétiques des arborescences de fer .................................................... 145
VII.1 Propriétés magnétiques des arborescences flottantes ............................................................ 145
VII.1.1 Contributions magnétiques parasites .................................................................................. 146
VII.1.2 Propriétés générales............................................................................................................. 147
VII.1.3 Effet de la tension sur les propriétés magnétiques ............................................................. 148
VII.1.4 Propriétés magnétiques des arborescences obtenues par croissance sous champ
magnétique normal ............................................................................................................. 150
VII.1.5 Propriétés magnétiques des arborescences obtenues par croissance sous champ
magnétique parallèle........................................................................................................... 152
VII.1.6 Discussion............................................................................................................................ 153
VII.2 Propriétés magnétiques des arborescences adsorbées ........................................................... 154
VII.2.1 Arborescences adsorbées sur Kapton.................................................................................. 154
VII.2.2 Arborescences adsorbées sur verre ..................................................................................... 158
VII.2.3 Discussion des résultats....................................................................................................... 159
VII.3 Expériences complémentaires .................................................................................................... 164
Conclusions et perspectives......................................................................................................................... 169
Références .................................................................................................................................................173

9
Introduction
Les physiciens ont cherché depuis toujours à décrire la réalité physique à l'aide de théories
simples et les plus générales possible. La notion de géométrie fractale introduite dans les années
soixante-dix par Mandelbrot a suscité un grand intérêt car elle semblait appropriée pour décrire
les formes ramifiées observées dans la nature. Ces formes ramifiées existent à toute échelle et en
tout domaine: les crêtes des montagnes, les réseaux des rivières, les arbres, la foudre, les colonies
des bactéries, les réseaux sanguins, les réseaux neuronaux etc. Des processus physiques
expérimentaux sont également capables de générer de telles formes : la digitation visqueuse
(l'injection d'un fluide moins visqueux dans un fluide plus visqueux), le claquage diélectrique, la
solidification, l'électrodéposition etc. L'introduction en 1981 par Witten et Sander du modèle de
l'agrégation limitée par la diffusion (DLA), qui permettait d'une manière simple d'obtenir des
agrégats fractals, a déterminé l'apparition d'un grand nombre de travaux dans l'étude des
structures ramifiées car cela semblait indiquer la voie à suivre dans lebut d'obtenir une théorie, à
la fois simple et générale, permettant d'expliquer ces formes.
Parmi les processus expérimentaux générant des structures avec un caractère fractal
l'électrodéposition en cellule fine est la plus utilisée car elle est aisée à mettre en oeuvre et elle
permet une observation facile ainsi que la récupération des agrégats. Si au début était cherchée
une réalisation expérimentale des structures de type DLA, l'obtention d'une grande variété de
formes de croissance a conduit les gens à s'intéresser de plus près aux phénomènes de croissance
par électrodéposition en cellule fine. En général les études ont porté sur la croissance des
agrégats non magnétiques comme le zinc, le cuivre ou l'argent pour lesquelles a été considérée
l'influence des différents paramètres comme la tension appliquée, la concentration de la solution,
les paramètres géométriques de la cellule, les facteurs électrochimiques (nature de l'électrolyte,
pH, présence des impuretés) etc. Une approche électrochimique en tenant compte des
caractéristiques de ces croissances comme la faible concentration de la solution et le confinement
dans une couche fine a été également réalisée, ce qui a beaucoup apporté dans la compréhension
de ces processus de croissance.
L'introduction du magnétisme par l'application d'un champ magnétique pendant la
croissance et par l'utilisation de métaux magnétiques induit des effets nouveaux, dus à la fois aux
processus électrochimiques et aux caractéristiques des croissances en cellule fine, effets pas
encore bien compris. Le caractère fractal des agrégats magnétiques est par ailleurs susceptible
d'influencer de manière originale leurs propriétés magnétiques.
Le travail de cette thèse concerne les effets d'un champ magnétique sur les arborescences
non magnétiques (Zn) et magnétiques (Fe) ainsi que les propriétés magnétiques des