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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Les matériaux multiferroïques sous pression

Les matériaux multiferroïques suscitent un intérêt croissant car leurs applications technologiques potentielles sont nombreuses, comme par exemple leur utilisation pour le traitement de l’information dans les mémoires RAM. Des chercheurs de l’Institut Charles Gerhardt (CNRS / Université Montpellier II) et du laboratoire CRISMAT (CNRS / ENSICAEN, Caen) viennent de montrer que mis sous pression, le ferrite de lutétium (LuFe2O4), connu pour ses propriétés multiferroïques, transite vers une nouvelle phase caractérisée par une maille cristalline géante. Cette nouvelle phase, qui est stable à pression atmosphérique, est actuellement en cours d’étude mais les premières mesures montrent déjà qu’elle permet d'envisager un nouvel arrangement multiferroïque.

 

Les matériaux multiferroïques, et plus particulièrement, l'étude des phénomènes couplant les propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques, suscitent un intérêt croissant d’un point de vue tant fondamental que théorique. La ferroélectricité correspond à la propriété de basculement de la polarisation électrique(*) sous l’effet d’un champ électrique alors que le ferromagnétisme permet le basculement de l’aimantation par un champ magnétique. Les applications technologiques de ces deux phénomènes de façon individuelle sont très nombreuses. L’existence de deux états ↑ et ↓ pour l’aimantation permet son utilisation dans le stockage de l’information dans les disques durs. Dans les matériaux multiferroïques, ces deux grandeurs physiques (électrique et magnétique) peuvent être couplées : on peut ainsi imaginer, par exemple, écrire une information électriquement et la lire magnétiquement. L’obtention d’une mémoire à quatre états (deux magnétiques  ↑ et  ↓, deux électriques + et -) pourrait par exemple induire des vitesses de réponse supérieures.

Le ferrite de lutétium (LuFe2O4) est connu pour ses propriétés multiferroïques. Dans ce matériau, le fer a une valence moyenne Fe2.5+ et, au dessous de 330K, les ions Fe2+ et Fe3+ s’arrangent de manière ordonnée sur le réseau du fer à plus ou moins longue distance : on parle d’ordre des charges  (figures 1a et  1b). La polarisation électrique s’explique par la répulsion de l’électron supplémentaire des ions Fe2+ entre les deux sites de fer (Fe2+ et Fe3+) : la ferroélectricité serait donc d'origine électronique.

Pour faire varier in fine les propriétés multiferroïques du composé, la répulsion électronique étant à l’origine de la polarisation électrique, les équipes Institut Charles Gerhardt/CRISMAT ont choisi d’utiliser la pression pour comprimer le matériau et diminuer les distances entre atomes afin d’augmenter potentiellement la répulsion électronique (Fe2+ /  Fe3+) et par conséquent la polarisation électrique.
Ils ont ainsi pu mettre en évidence une évolution de la structure en fonction de la pression suivie d'une transition structurale irréversible à P > 9 GigaPascals. La structure de grande taille obtenue, qui peut être récupérée à pression atmosphérique, est actuellement en cours d’étude. Les résultats préliminaires semblent déjà montrer un changement important de l'ordre de charges : les cations Fe2+ et Fe3+ présentent des environnements différents dans la matrice à température et pression ambiantes, chacun de ces environnements a été modifié différemment sous l'effet de la pression conduisant à un nouvel édifice qui présente un ordre de charges nouveau.
Les chercheurs  travaillent actuellement à la résolution de la structure pour comprendre quelle est l’influence directe des interactions Fe2+/Fe3+ sur les propriétés de ce nouveau type d'ordre des charges.

 

(*) Dans un matériau, si des charges électriques localisées sont susceptibles de se déplacer sur de petites distances ou de vibrer sous l'influence d'un champ électrique,  il y a alors apparition d'une polarisation électrique.

 

fig1a(a) fig1b(b)

 

fig1c

Figure 1 : (a) Structure schématisée de LuFe2O4 (forme  température ambiante rhomboédrique),( b) projection [001] du réseau des fers dans une bicouche de fer) expliquant l’origine de la polarisation Ps.  (c) Relation entre la structure haute pression (supercell) et la structure initiale (unit) :asuper   ~ (racine de) 3a unit, bsuper  ~ 5a unit and csuper  ~ 8c unit

© J. Rouquette

 

 

Référence

J. Rouquette, J. Haines, A. Al-Zein, Ph. Papet, F. Damay, J. Bourgeois, T. Hammouda, F. Doré, A. Maignan, M. Hervieu, and C. Martin
Pressure-Induced Structural Transition in LuFe2O4: Towards a New Charge Ordered State
Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 237203, 3 décembre 2010

 

Contact chercheur 

J. Rouquette, Institut Charles Gerhardt
Courriel : Jerome.rouquette@univ-montp2.fr
Tél : 04 67 14 40 33  

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

5 février 2011

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