Influence of the Pressure on the Multiferroicity of RMn2O5

par Wei Peng

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Pascale Foury-Leylekian et de Victor Balédent.

Soutenue le 18-09-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Fabrice Bert.

Le jury était composé de Pascale Foury-Leylekian, Victor Balédent, Fabrice Bert, Gwenaëlle Rousse, Pierre Bordet, Virginie Simonet.

Les rapporteurs étaient Gwenaëlle Rousse, Pierre Bordet.

  • Titre traduit

    Influence de la pression sur la multiferroïcité de RMn2O5


  • Résumé

    La série de RMn2O5 multiferroïques a été largement étudiée en raison de son fort couplage magnétoélectrique. L’origine de la ferroélectricité a été clarifiée en tant que mécanisme de striction d’échange. Comme les variations des distances interatomiques modifiées par la pression externe peuvent grandement affecter les propriétés multiferroïques, il est essentiel de comprendre l’origine microscopiquede cet effet. Dans cette thèse, nous avons étudié systématiquement les propriétés multiferroïques des composés RMn2O5 en utilisant la diffraction des rayons X sur poudre et la diffraction neutronique en poudre sous pression. Grâce aux mesures de la diffraction des rayons X sur poudre du RMn2O5 (R = Pr, Nd, Sm, Gd, Tb et Dy) sous pression à température ambiante, les paramètres de maille et le déplacement atomique obtenus sont comparables au calcul par la théorie fonctionnelle de la densité. Ainsi, nous avons pu comprendre la relation générale entre la pression et les itérations d’échange J1, J4 etJ6, ce qui peut nous donner quelques indications pour comprendre l’origine microscopique de la pression à basse température. Grâce aux mesures de la diffraction neutronique en poudre de RMn2O5 (R = Pr, Dy, Gd et Sm) sous pression à basse température, nous avons déterminé la structure magnétique du magnétomètre induit par pression (PCM) phase. Les spins colinéaires des ions Mn à spin nul de Pr3+ avec l’indication des mesures de ferroélectricité à basse pression suggèrent la forte polarisation électrique du PrMn2O5 à haute pression. Basé sur un équilibre énergétique subtil entre l’interaction d’échange J1, l’interaction d’échange R-Mn J6 et l’anisotropie de la terre rare, nous avons proposé l’origine microscopique de différents kz de la phase magnétique commensurable. Ces résultats ouvrent certainement la voie à une compréhension complète de l’origine de l’influence de la pression dans la famille RMn2O5.


  • Résumé

    The series of multiferroic RMn2O5 has been extensively studied due to its strong magneto-electric coupling. The ferroelectricity origin has been clarified as the exchange striction mechanism. As the variations of the interatomic distances modified by the external pressure can greatly affect the multiferroic properties, it is essential to understand the microscopic origin of this effect. In this thesis, we have systematically studied the multiferroic properties of the RMn2O5 compounds by using powder X-rays diffraction and powder neutron diffraction (PND) under pressure. Through the measurements of the powder X-rays diffraction of the RMn2O5 (R = Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, and Dy) under pressure at room temperature, the lattice parameters and atomic displacement we obtained are comparable to the calculation by the density functional theory. Thus, we have been able to figure out the general relation between the pressure and the exchange iterations J1, J4 and J6, which can give us some indication to understand the microscopic origin of the pressure effect at low temperature. Through the measurements of the PND of the RMn2O5 (R = Pr, Dy, Gd and Sm) under pressure at low temperature, we have determined the magnetic structure of the pressure induced commensurate magnetic (PCM) phase. The collinear spins of Mn ions, nil spin of Pr3+ with the indication of the ferroelectricity measurements at low pressure suggest the strong electric polarization of the PrMn2O5at high pressure. Based on a subtle energy balance among the exchange interaction J1, the R-Mn exchange interaction J6 and the anisotropy of the rare earth, we have proposed the microscopic origin of different kzof the commensurate magnetic phase. These results certainly pave the way to fully understand the origin of the pressure influence in the RMn2O5 family.


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