Multiscale modeling of multiferroic nanocomposites

par Sergei Prokhorenko

Thèse de doctorat en Physique des matériaux

Sous la direction de Igor Kornev.

Le président du jury était Laurent Bellaiche.

Le jury était composé de Alexander K. Tagantsev, Eric Bousquet, Grégory Geneste, Brahim Dkhil.

  • Titre traduit

    Modelisation multi-échelle des nanocomposites multiferroiques


  • Résumé

    Au cours des dernières décennies, la recherche de nouveaux matériaux multiferroïques nanostructurés avec des propriétés optimisées a conduit à l'élaboration d'une grande variété de modèles théoriques et des approches de simulation. Allant des modèles ab initio capables de décrire les propriétés à la température nulle des composés artificiels monocristallins à des approximations phénoménologiques pour la description des composites à la mésoscopique, ces recherches ont soulevé la question fondamentale de la relation entre la géométrie de la structure des systèmes hétérogènes et les propriétés des leurs transitions de phase. Cependant, malgré des progrès significatifs en la matière,cette question n'a pas encore été élucidée et les relations entre les modèles à différentes échelles ne sont pas entièrement distingués. La présente étude est consacrée à lier l’ensemble des modèles décrivant les matériaux nanocomposites multiferroïques à différentes échelles. Tout d'abord, nous présentons un développement méthodologique de l'approche Hamiltonien effectif couramment utilisé pour étudier les transitions de phase structurales. Les modifications introduites permettent d'étendre cette méthode pour prédire les propriétés à la température finie des systèmes hétérogènes. Le modèle construit est ensuite utilisé pour étudier les propriétés des nanostructures et solutions solides (BiFeO3)(BaTiO3). Recourant à des simulations Monte-Carlo, nous montrons que notre modèle fournit des résultats qui sont en ligne avec les observations expérimentales récentes et qu’il permet de prédire théoriquement les propriétés d'une large gamme de systèmes avec différentes géométries composites. La deuxième partie de l'étude consiste en l'application de la théorie de Ginzburg-Landau des transitions de phase à l’étude des propriétés des multicouches ferroélectriques et ferromagnétiques avec des interfaces épitaxiales. Plus précisément, nous décrivons théoriquement l’effet magnétoélectrique exhibé par les hétérostructures autonomes Pb(Zr0.5 Ti0.5) O3-FeGaB et BaTiO3-FeGaB. Enfin, nous montrons que la géométrie multicouche d'un nanocomposite ferroélectrique et ferromagnétique ouvre la voie à une amélioration radicale du signal de charge de sortie.


  • Résumé

    During past decades, the search for new nanostructured multiferroic materials with optimized properties has lead to the development of a vast variety of theoretical models and simulation approaches. Spreading from first principles based models able to describe zero-temperature properties of artificial single crystal compounds to phenomenological approximations for composites with mesoscale morphology, these investigations have raised the fundamental question of how the geometry of the structure affects the properties of phase transitions exhibited by heterogeneous systems. However, despite significant progress, the answer to this question still lacks clarity and the bridge connecting models at different scales is not fully constructed. The current study is devoted to linking together models of multiferroic nanocomposite materials applicable at different scales. First, we present a methodological development of effective Hamiltonian approach commonly used to study structural phase transitions. The introduced modifications allow to extend this widely used method to predict finite-temperature properties of compositionally heterogeneous systems. The constructed model is then used to study properties of (BiFeO3)(BaTiO3) nanostructures and solid-solutions. Resorting to Monte-Carlo simulations, we show that our model provides results that are in-line with recent experimental observations and allows to theoretically predict properties of a wide range of systems with different composite geometries. The second part of the study consists inapplication of Landau theory of phase transitions to investigate the properties of ferroelectric-ferromagnetic multilayerswith epitaxial interfaces. Specifically, we theoretically describe the strain-mediated direct ME effect exhibited byfree-standing Pb(Zr0.5 Ti0.5 )O3 -FeGaB and BaTiO3 -FeGaB heterostructures. Finally, we show that the multilayer geometry of a ferroelectric-ferromagnetic nanocomposite opens the way for a drastic enhancement of the output charge signal.


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