Couches minces à base d’oxyde multiferroïque appliquées à la réfrigération magnétique

par Hamza Bouhani

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Mangin et de Abdallah El Kenz.


  • Résumé

    L’énergie est indispensable pour l’homme dans la vie quotidienne et essentielle à la croissance économique et au progrès du développement dans les secteurs industriels. Les sources d’énergie mondiales proviennent principalement de ressources fossiles (pétrole, charbons, gaz) qui sont la principale source de pollution atmosphérique locale et l’émetteur des gaz à effet de serre comme le dioxyde de carbone (CO2), responsable en grande partie de l’appauvrissement de la couche d’ozone. Dans le contexte de la pénurie actuelle de ces ressources en raison de l’augmentation continue de la demande d’énergie et alors que les réserves fossiles finiront par s’épuiser, la découverte et le développement d’une technologie à faible émission de carbone deviennent critiques avec la nécessité de décarboniser et réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. Une de ces technologies est la réfrigération magnétique basée sur l’effet magnétocalorique (MCE). Au cours de cette thèse, nous avons étudié les propriétés magnétiques et magnétocaloriques des films minces d’oxydes fortement corrélés à structure pérovskite déposés par ablation laser pour les applications de la réfrigération magnétique. Les résultats obtenus montrent que les propriétés magnétiques et magnétocaloriques de composés PrVO3 peuvent être facilement modulées en utilisant l’approche des couches minces. En particulier, le champ magnétique coercitif a considérablement diminué faisant à partir du composé PVO un aimant presque doux dans la région où l’entropie magnétique est libérée ainsi qu’une augmentation considérable de l’aimantation de saturation. En conséquence, un effet magnétocalorique géant est présentée par les films minces de PVO déposés sur un substrat de LSAT à basse température montrant l’impact de l’effet des contraintes épitaxiales. D’autre part, les calculs DFT ont confirmé l’état fondamental et la compétition entre les interactions magnétiques sous contraintes de compression dans PVO films minces. Notre résultat suggère non seulement que les couches minces épitaxiales de PVO sont potentielles pour la réfrigération aux températures cryogéniques mais peuvent également ouvrir la voie à créer de nombreuses nouvelles fonctionnalités dans les oxydes perovskite par le contrôle des aspects structurels. Les mécanismes menant à l’effet magnétocalorique anisotropique géant observé dans les monocristaux du HoMn2O5 sont également étudiés. Les calculs DFT et la simulation de Monte Carlo nous ont permis d’explorer le rôle des ions d’Holmium en tant que principal contributeur au MCE ainsi que l’importance des propriétés anisotropes intrinsèques comme moyen prometteur d’optimiser l’EMC pour l’application de la réfrigération magnétique à basse température ainsi que la mise en œuvre de réfrigérateurs magnétiques rotatifs compacts et efficaces.

  • Titre traduit

    Multiferroic oxide-based thin films applied to magnetic refrigeration


  • Résumé

    Energy is essential for humans in everyday life and critical to economic growth and developement progress in industrial sectors. The global energy sources are mostly from fossil resources (e.g oil, coals, gas) being dominant source of local air pollution and emitter of the most dangerous green house gases such as carbon dioxide (CO2), largely responsible for the ozone layer depletion. In the context of the current shortage of those ressources due to the continuously increase in demands in energy and while fossil reserves will eventually run out, the discovery and development of a low-carbon technologies become critical with the need to decarbonise and reduce our dependency to fossil fuels. One of theses technologies is the magnetic refrigeration based on the magnetocaloric effect (MCE). In this thesis, we have investigated the magnetic and magnetocaloric properties of strongly correlated oxides thin films grown by pulsed laser deposition in view of their portential application in magnetic cooling. The obtained results reveal that the magnetic and magnetocaloric properties of PrVO3 (PVO) compounds can be easy tailored by using the thin films approach. Particularly, the coercive magnetic field was dramatically decreased making from the PVO compound a nearly soft magnet in the region where the magnetic entropy change is released as well as a considerable increase in saturation magnetization. Accordingly, a giant magnetocaloric effect is exhibited by PVO thin films grown on LSAT substrate at low temperatures showing the great impact of strain effects. This finding opens the way for the implementations of PVO thin films in some specific applications such as on-chip magnetic cooling of a nanoelectronic device and sensor technology. On the other hand, the DFT calculations have confirmed the ground state and the competition between magnetic interactions under compressive strains in PVO thin films. Our result not only suggests that epitaxial PVO thin films is potential for refrigeration at cryogenic temperatures but may also pave the way to create many novel functionalities in perovskite-type transition metal oxides by control of structural aspects.The mechanisms leading to the giant anisotropic magnetocaloric effect observed in HoMn2O5 single crystals are also studied. Both DFT calculations and Monte Carlo simulation allowed us to explore the role of Holmium ions as the main contributor to the MCE as well as the of the importance of the intrinsic anisotropic properties as a promising way to optimize the MCE for magnetic refrigeration application at low temperature regime as well as the implementation of compact and efficient rotary magnetic refrigerators.


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