Synthesis of iron oxide nanoparticles and development of magnetic coatings by fluid processing
Synthèse de nanoparticules d’oxydes de fer et élaboration de dépôts magnétiques par voie liquide
Résumé
The aim of the study is to develop novel materials with well-controlled magnetic properties for electromagnetic applications like RFID antennas, wireless power transmission, radar absorption… The principle is based on the development of an organized framework in patterns or magnetic domains, defined by their geometry (pattern size, thickness, spacing). The permeability response of such materials is linked to the contributions of created domains and walls, giving rise to a “multi-band” material with separate and distinct peaks on its permeability spectrum. The development of such material is studied through fluid processing from iron oxide nanoparticles. A Zn₀.₄Fe₂.₆O₄ material composition is selected in order to provide a high saturation magnetization and a low dielectric permittivity to ensure the penetration of the electromagnetic wave in the coating.The nanoparticles are synthesized by microwave-assisted thermal decomposition. Two ranges of sizes are chosen: superparamagnetic particles (diameter below 20 nm) and ferrimagnetic ones. Two processing methods from stable particle dispersions are discussed: airbrushing followed by a laser etching, and inkjet printing. Several physico-chemical characterizations, at local and global scales, have been performed. An annealing is required to densify the material, but does not provide a suitable density for the desired application. An in-depth study of the static and dynamic magnetic properties of nanoparticles and coatings is done, and correlated to their microstructure through modeling from the molecular field theory. Many guidelines are suggested for the development of a multiband magnetic material.
Ce projet porte sur la réalisation de nouveaux matériaux aux propriétés magnétiques parfaitement contrôlées pour des applications électromagnétiques de types antennes RFID, transmission de puissance sans fil, absorbants radars… Le principe repose sur l’élaboration d’une structure organisée en motifs ou domaines magnétiques définie par des caractéristiques géométriques (taille des motifs, épaisseur, distance entre motifs). La réponse magnétique en perméabilité de tels matériaux est liée aux contributions des domaines et des parois formés, donnant naissance à un matériau dit « multi-bandes » au regard des pics distincts et séparés observés sur son spectre de perméabilité. L’élaboration d’un tel matériau est étudiée par dépôt en voie liquide de nanoparticules d’oxyde de fer. La composition du matériau est fixée à Zn₀.₄Fe₂.₆O₄ afin de combiner une aimantation à saturation forte, et une permittivité diélectrique faible pour une bonne pénétration de l’onde électromagnétique dans le dépôt. Les nanoparticules sont synthétisées par décomposition thermique en voie micro-ondes. Deux gammes de tailles de nanoparticules sont visées : des nanoparticules superparamagnétiques (diamètre inférieur à 20 nm) et ferrimagnétiques. Deux techniques de réalisation de dépôts structurés à partir de suspensions stables de nanoparticules sont discutées : l’aérographie suivie d’une gravure laser, et l’impression jet d’encre. De nombreuses caractérisations physico-chimiques, locales ou globales, ont été effectuées. Un traitement thermique est requis pour la densification du matériau, mais ne permet pas d’obtenir une densité suffisante pour l’application envisagée. Une étude approfondie des propriétés magnétiques statiques et dynamiques des particules et des dépôts est réalisée, et corrélée à leurs caractéristiques structurales par le biais de modèles de champ moléculaire. Des pistes sont ouvertes pour l’élaboration d’un matériau magnétique multi-bandes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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