Unités ferromagnétiques « basse D » : frustration et transitions méta-magnétiques pour la mise en place de couplages magnétoélectriques

Low-dimensional ferromagnetic units : frustration and metamagnetic transitions towards magnetoelectrics couplings

• Auteur / Autrice : Bastien Leclercq
• Direction : Olivier Mentré, Houria Kabbour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Lille ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UCCS - Unité de Catalyse et Chimie du Solide
• DOI : 10.70675/8a6ccc1azcccfz46a6za5a9za1f3462d5328

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux ferromagnétiques

Propriétés électriques

Composés inorganiques

Propriétés magnétiques

Ferroélectricité

Cristallographie

Mots clés libres

Matériaux magnétoélectriques

Transitions métamagnétiques

Résumé

Malgré leur immense intérêt et la variété de champ d’applications envisagés les matériaux magnétoélectriques sont toujours rares, leur utilisation étant entravée par la faible polarisation générée par effet magnétoélectrique (e.g. BiFeO3) ou les basses températures de travail (e.g. TbMnO3) bien en dessous de la température ambiante. Dans ces composés, il existe un couplage entre les propriétés ferroélectriques et magnétiques qui coexistent simultanément. Par l’existence de ce couplage, ces matériaux sont d’un grand intérêt notamment pour l’électronique (capteurs, interrupteurs, …) et le stockage de données, permettant à la fois de tirer profit des propriétés électriques et magnétiques. La capacité de stockage peut ainsi être doublée, l’information peut être écrite électriquement tirant avantage de la basse consommation en énergie, et lue magnétiquement de manière non destructive. Pourtant la stratégie de développement actuelle repose trop souvent sur l’optimisation des rares composés exploitables bien connus de la littérature, ce qui n’entraine pas de bouleversement dans les propriétés. C’est ici qu’émerge ce projet, où nous proposons une approche originale et réfléchie, pour la mise en place de propriétés magnétoélectriques dans des composés inorganiques, en traitant avec des unités ferromagnétiques de basse dimensionnalité (blocs 0D, chaines 1D, couches 2D) et leur alignement sous champ au travers de transitions métamagnétiques. Nos candidats sont constitués de macrospins colinéaires ou cantés de cations magnétiques haut spin (M = Fe2+, Co2+, Mn2+), séparés par des spacers non magnétiques et isolants électriques XO4 ou X2O7 (X = P, As) et de gros cations (A = Ba2+, Sr2+...), permettant la mise en place de polarisation électrique. Nous nous intéressons notamment aux polymorphes en couche AM2X2O8 et leur réseau frustré incluant le premier oxyde 2D FM Ising BaFe2P2O8, de rares exemples de composés de basse dimensionnalité avec des structures incommensurables tel que BaMX2O7, mais également aux hexaferrites de type-M AM12O19. Une attention particulière est portée à la création de frustrations magnétiques intrinsèques (réseaux triangulaires, substitution cationique) et aux composés présentant des plateaux d’aimantations, où la mise en place de frustrations et de domaines magnétiques lors de la réorientation des spins sous champ est attendue à l’origine de propriétés magnétoélectriques exacerbées.

Despite their immense interest, scope and applications of magnetoelectrics materials are still a rarity, their use has been hindered by the weakness of the polarization generated by magnetoelectric effect (e.g. BiFeO3) or the low working temperature (e.g. TbMnO3). In these compounds there is a coupling between the ferroelectric and magnetic properties that coexist simultaneously. By the existence of these couplings, these materials are of great interest in particular for electronics applications (sensors, switch, etc) and data storage, allowing to take advantages of both the electrical and magnetic properties. The capacity can thus be doubled, the information can be written electrically taking advantage of the low energy consumption, and read magnetically in a non-destructive way. However, the actual development strategy too often relies on optimization of the few well-known exploitable compounds in the literature, which does not lead to great improvement of the properties. Here we propose an original and thoughtful approach for designing magnetoelectric properties in inorganic compounds, dealing with low dimensional ferromagnetic units (0D blocks, 1D chains, 2D layers) and their alignment under field through metamagnetic transitions. Our candidates possess collinear or canted macrospins of high spin magnetic cations (M = Fe2+, Co2+, Mn2+), separated by non-magnetic and electrical insulating spacers XO4 or X2O7 (X=P, As) or large cations (A=Ba2+, Sr2+) building up the insulating properties. We give particular interest to AM2X2O8 polymorphs and their frustrated network including the first Ising 2D FM oxide BaFe2P2O8, some rare example of low-D ferromagnetic compound with incommensurate structures such as BaMX2O7, but also the M-type Hexaferrites AM12O19. We paid particular attention to the creation of intrinsic magnetic frustrations (triangular lattice and/or cationic substitution), and magnetization steps where the creation of frustrations and magnetic domains during the reorientation of spins under field is expected to be at the origin of enhanced magnetoelectric properties.