Anisotropie magnétique et coercivité de particules de ferrite spinelle déformées de façon tétragonale via l'effet Jahn-Teller et le couplage magnétoélastique

Magnetic anisotropy and coercivity of tetragonally distorted spinel ferrite particles via the Jahn-Teller distortion and the magnetoelastic coupling

• Auteur / Autrice : Hawa Alima Binti Abdul Latiff
• Direction : Nora Dempsey, Hideto Yanagihara
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 13/02/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Tsukuba
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Takashi Suemasu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Vila, Seiji Mitani, Yuzo Ohno, Lise-Marie Lacroix
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yoshichika Otani, Martino Lo Bue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Ferrites (matériaux magnétiques)

Spintronique

Mots clés libres

L'effet Jahn-Teller

L'effet magnétoélastique

Coercivité

Anisotropie magnétique

Nanoparticules magnétiques

Jahn-Teller effect

Magnetoelastic effect

Coercive force

Magnetic anisotropy

Magnetic nanoparticles

Résumé

Cette étude propose l'idée des aimants dits de ferrite tétragonale en rendant la symétrie cristalline des ferrites de spinelle cubique afin d'améliorer l'anisotropie magnétique (et donc, d'améliorer la coercivité). Pour concrétiser cette idée, nous avons synthétisé des particules (Cu, Co) -ferrite à distorsion tétragonale et caractérisé systématiquement les propriétés magnétiques en conséquence avec leurs distorsions de réseau. Les facteurs intrinsèques et extrinsèques contribuant à la coercivité ont été étudiés. Pour élucider l'anisotropie magnétique, nous avons démontré un modèle de couplage physique de l'effet Jahn-Teller (JT) et de l'effet magnétoélastique (ME) au sein de la théorie phénoménologique. Ensuite, nous avons effectué une analyse de coercivité dans deux modèles généraux de coercivité afin de clarifier les paramètres de la microstructure contribuant au mécanisme d'inversion de la magnétisation. À partir de l'analyse du modèle magnétoélastique, nous avons démontré l'expression linéaire de l'anisotropie magnétique en utilisant le paramètre tétragonal obtenu à partir de la distorsion JT. Les valeurs du coefficient magnétoélastique pour Cu (B1Cu = 2 MJ / m3) et Co (B1Co = 40 MJ / m3) déduites de la courbe expérimentale étaient acceptables avec la valeur calculée pour le ferrite de cuivre en vrac (B1Cu en vrac = 4 MJ / m3) et le cobalt. ferrite (masse B1Co = 55 MJ / m3). Les résultats suggèrent que l’anisotropie magnétique peut être attribuée au couplage de la distorsion JT avec l’effet magnétoélastique de Co. Au lieu d’une augmentation indéfinie avec x, l’anisotropie magnétique Ku tend à atteindre une valeur de saturation en raison de la concurrence entre les effet magnétoélastique de Co et le JT de Cu. Entre le x tétragonal x = 0,1 et le x cubique = 0,2, les valeurs de Ku constantes d'anisotropie magnétique intrinsèque ne varient pas de manière aussi significative que la différence entre les champs de coercivité et d'anisotropie. La réduction des champs d'anisotropie supérieurs à x = 0,1 peut alors être attribuée à l'augmentation de l'aimantation spontanée. L'analyse de la coercivité au sein du modèle micromagnétique a révélé une contribution importante à la coercivité de la microstructure et de l'effet démagnétisant local. Le paramètre de microstructure αMM = 0,25 obtenu était une valeur classique de l'analyse micromagnétique, suggérant le départ du champ d'anisotropie avec ce facteur de réduction. Les facteurs démagnétisants locaux effectifs NeffMM d’environ 1,4 obtenus étaient plutôt importants, ce qui suggère un effet démagnétisant significatif. Dans l'analyse du modèle global (GM), les valeurs de NeffGM obtenues étaient were 0,38 pour l'échantillon x = 0,1. La valeur négative suggère la présence d'une interaction d'échange agissant efficacement en opposition à l'interaction dipolaire. En deçà de 100 K, une différence dans le modèle suggère l’idée d’un réchauffement local consécutif à l’activation thermique due au changement d’énergie Zeeman et à une dissipation de chaleur inefficace. Cet événement peut avoir conduit à la réduction du champ coercitif à une température suffisamment basse dans l'échantillon x = 0.1 en supposant que les grains sont fortement couplés en échange.

This study proposes the idea of the so-called tetragonal ferrite magnets by rendering the crystal symmetry of the cubic spinel ferrites to enhance the magnetic anisotropy (and hence, enhance the coercivity). To realize this idea, we synthesized tetragonally distorted (Cu,Co)-ferrite particles and systematically characterized the magnetic properties accordingly with their lattice distortions. The intrinsic and extrinsic factors contributing to coercivity were investigated. To elucidate the magnetic anisotropy, we demonstrated a physical coupling model of the Jahn-Teller (JT) effect and the magnetoelastic (ME) effect within the phenomenological theory. Then, we performed coercivity analysis within two general models of coercivity to clarify the microstructure parameters contributing to the magnetization reversal mechanism. From the magnetoelastic model analysis, we demonstrated the linear expression of the magnetic anisotropy using the tetragonal parameter obtained from the JT distortion. The magnetoelastic coefficient values for Cu (B1Cu = 2 MJ/m3) and Co (B1Co = 40 MJ/m3) deduced from the experimental curve were agreeable with the value calculated for bulk copper ferrite (B1Cu bulk= 4 MJ/m3) and cobalt ferrite (B1Co bulk= 55 MJ/m3). The results suggests that the source of magnetic anisotropy can be attributed to the coupling of the JT distortion with the magnetoelastic effect of Co. Instead of an indefinite increase with x, the magnetic anisotropy Ku tends to reach a saturation value due to the competition between the magnetoelastic effect of Co and the JT effect of Cu. Between the tetragonal x = 0.1 and the cubic x = 0.2 samples, the intrinsic magnetic anisotropy constant Ku values do not vary as significantly compared to the difference in the coercivity and the anisotropy fields. The reduction of anisotropy fields above x = 0.1 then can be attributed to the increase in the spontaneous magnetization.The coercivity analysis within the micromagnetic model revealed significant contribution to the coercivity by the microstructure and the local demagnetizing effect. The microstructure parameter αMM = 0.25 obtained was a classical value in the micromagnetic analysis, suggesting the departure of anisotropy field with this reduction factor. The effective local demagnetizing factor NeffMM of about 1.4 obtained were rather large suggesting a significant demagnetizing effect. Within the global model (GM) analysis, the values of NeffGM obtained were －0.38 for the x = 0.1 sample. The negative value suggests the presence of an exchange interaction acting effectively in opposition to the dipolar interaction. Below 100 K, discrepancy in the GM suggests the idea of a local heating event following the thermal activation due to the change in Zeeman energy and ineffective heat dissipation. This event may have led to the reduction of coercive field at sufficiently low temperature in the x = 0.1 sample assuming the grains are strongly exchange-coupled.