Investigation of new multiferroic materials with coexistence of several ferroic and structural instabilities

par Hongbo Liu

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Igor Kornev.

Le jury était composé de Igor Kornev, Emmanuel Defaÿ, Jean-Michel Kiat, Françoise Le marrec, Brahim Dkhil.

Les rapporteurs étaient Jens Kreisel, Emmanuel Defaÿ.

  • Titre traduit

    Etude de nouveaux matériaux multiferroiques avec coexistence multiple d’instabilités ferroiques et structurales


  • Résumé

    L’étude des matériaux multiferroiques est sans doute un des domaines de recherche actuelle les plus actifs et prolifiques de la matière condensée. Dans ces matériaux, coexistent polarisation, aimantation et élasticité. On comprend bien que cette coexistence permet une multifonctionnalité très attrayante pour un grand nombre d’applications mais aussi fournit un vivier extraordinaire pour étudier les interactions entre ces grandeurs ainsi que les mécanismes microscopiques sous-jacents. Cet attrait s’en trouve d’autant plus renforcé du fait des phénomènes de couplage entre ces grandeurs physiques autorisant des fonctionnalités nouvelles comme par exemple le renversement d’une aimantation avec un champ électrique au lieu d’un champ magnétique classiquement. Cependant, ces matériaux multiferroiques sont d’une part en petit nombre et d’autre part, exploitent pour beaucoup d’entre eux, la polarisation d’un ferroélectrique et l’aimantation d’un antiferromagnétique. Ceci étant, il existe d’autres types d’arrangements polaires et magnétiques encore non-exploités, c’est dans ce cadre que s’inscrit ce travail de thèse. L’objectif de la thèse était de synthétiser de nouveaux multiferroiques présentant des arrangements polaires et magnétiques originaux et d’en caractériser les propriétés. Nous nous sommes tout particulièrement intéressés aux oxydes PbFe2/3W1/3O3 (PFW) et PbZrO3 (PZO). PFW présente des ordres polaires et magnétiques à longue et à courte portée : ferroélectrique-relaxeur et antiferromagnétique-verre de spin (ou ferromagnétisme faible). PZO est quant à lui antiferroélectrique avec antiferrodistorsivité (rotation des octaèdres d’oxygène) et présence d’instabilité ferroélectrique. Nous avons d’une part combiné ces deux matériaux pour former une solution solide et d’autre part réalisé un dopage de PZO avec des ions magnétiques. Après avoir synthétisé ces matériaux, nous les avons caractérisés électriquement (constante diélectrique, phénomène de relaxation, polarisation, température de Curie), magnétiquement (susceptibilité magnétique, aimantation) et structuralement (transition de phase). Ainsi, nous avons montré qu’il était possible d’obtenir un matériau multiferroique (50%PFW-50%PZO) présentant l’ensemble des instabilités ferroiques et structurales. Ces nouveaux matériaux ouvrent ainsi de nouvelles perspectives d’étude dans ce riche domaine en particulier en utilisant des antiferroélectriques.


  • Résumé

    Multiferroics are currently intensely investigated because the coexistence and coupling of ferroic arrangements brings about new physical effects and, for the few room-temperature examples, interesting prospects for applications in various fields. This interest is illustrated by the recent publication of several articles on multiferroics in high impact reviews over the last five years. The main goal of the thesis was to look for new multiferroics by exploiting overlooked and original polar and magnetic arrangements. We more precisely investigated compounds based on lead iron tungsten PbFe2/3W1/3O3 (PFW) and lead zirconate PbZrO3 (PZO) oxides. PFW displays long- and short-range both polar and magnetic orders (ferroelectric-relaxor and antiferromagnetic-spin-glass) while PZO is antiferroelectric with antiferrodistorsivity (oxygen tilts) and existence of ferroelectric instabilities. Combining various techniques from synthesis to electric, magnetic and structural characterizations, we demonstrated that it is possible to get a multiferroic compound (50%PFW-50%PZO) with coexistence of multiple ferroic and structural arrangements with room temperature properties of practical interest. This work opens new prospects in this rich field of multiferroics in peculiar by using antiferroelectrics.


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