Interplay between magnetic ordering and ferroelectricity in multiferroics with quadruple perovskite structure

par Marine Verseils

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Andrea Gauzzi et de Edi Gilioli.

Soutenue le 19-10-2017

à Paris 6 en cotutelle avec l'Università degli studi (Parme, Italie) , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie- de physique des matériaux et de cosmochimie / IMPMC (laboratoire) .

Le président du jury était Valia Voliotis.

Le jury était composé de Gianluca Calestani.

Les rapporteurs étaient Maxim Mostovoy, Isabelle Mirebeau.

  • Titre traduit

    Couplage entre ordre magnétique et ferroélectricité dans les pérovskites quadruples à propriétés multiferroïques


  • Résumé

    Cette Thèse traite de la ferroélectricité magnétiquement induite dans deux pérovskites quadruples de manganèse: (LaMn3)Mn4O12 et (YMn3)Mn4O12. Tous deux possèdent une monovalence et une structure antiferromagnétique commensurable des sites B. Ces caractéristiques simples, font de ces composés métastables et stabilisés sous haute pression, des systèmes modèles pour identifier la contribution des interactions d’échange symétrique et antisymétrique à la polarisation. YMO est une nouvelle phase dans laquelle le faible rayon de l’ion Y3+ augmente la pression chimique et donc l’interaction d’échange. L’orientation magnétique des sites B à lieu 30 degrés plus haut que dans LMO, à TN,B=108 K. En revanche, nous mesurons une polarisation, P = 0.54 μC cm-2, identique dans les deux composés. Il s’agit d’une valeur record dans les ferroélectriques magnétiques. De façon inattendue, la nature de la ferroélectricité magnétique est très différente dans chaque composé. Dans LMO, la ferroélectricité apparaît à la transition magnétique des sites B, à TN,B = 78 K, mais nous ne reportons pas de brisure du centre d’inversion par diffraction de rayons X ou par spectroscopie Raman et IR. Nous tentons d’expliquer ce résultat inattendu dans le cadre de la théorie phénoménologique des ferroélectriques impropres. D’un autre côté, dans YMO, nous observons l’apparition de la ferroélectricité à T* = 70 K bien que T* ne corresponde pas à une transition magnétique. En effet, à T* nous reportons seulement une anomalie magnétique suggérant un ordre magnétique latent. La transition structurale, qui a lieu à Ts, pourrait être responsable de l’alignement des domaines ferroélectriques.


  • Résumé

    In the present Thesis, we study the large ferroelectricity induced by magnetism in two quadruple perovskite compounds: (LaMn3)Mn4O12 and (YMn3)Mn4O12, which both display single-valent properties and a commensurate C-type antiferromagnetic structure of the B-sites. These simple features offer a playground to elucidate the contribution of the symmetric and antisymmetric exchange interactions to the polarization. Both compounds are metastable and stabilized under high-pressure. YMO is a new phase, where the small Y3+ ion exerts a large chemical pressure, which is expected to enhance the exchange interaction and, thus, the spontaneous polarization. We find an ordering temperature of the B-sites, 30 K higher than in LMO. On the other hand, we surprisingly find identical values of the spontaneous polarization, P = 0.54 μC cm-2, in both compounds. It is a record value for magnetic ferroelectrics. In spite of the similarities, the nature of magnetic ferroelectricity appears to be very different in the two compounds. In LMO, ferroelectricity is induced by the magnetic ordering of B-sites, although no indication of inversion symmetry breaking is detected. We argue that this puzzling observation is consistent with prediction of domain structure in improper ferroelectrics. On the other hand, in YMO, the occurrence of ferroelectricity at T*=70 K is consistent with a polar structural modulation below Ts=200 K, however T* does not correspond to any long-range magnetic transition. Indeed, T* marks a magnetic anomaly suggesting a latent magnetic phase. We put forward the hypothesis that the above polar distortion of the crystal structure may force the alignment of polar domains.


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