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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Les Matériaux moléculaires multiferroïques : des mémoires révolutionnaires !

 

La combinaison de deux ordres dits ferroïques au sein d’un même matériau peut être mise à profit pour développer des mémoires où l’information n’est plus stockée sous forme de bit (0/1) mais de nombres pouvant varier de 0 à 3 (0/1/2/3), doublant de facto la capacité de stockage. Des chercheurs du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (CNRS) viennent de synthétiser le premier matériau multiferroïque moléculaire obtenu de manière rationnelle. Ces travaux font l’objet d’un article dans la revue Angewandte Chemie.

 

Les matériaux multiferroïques sont des matériaux indispensables dans le développement de l’électronique de spin ou spintronique qui, comme en électronique classique, exploite la charge de l’électron et, de façon plus novatrice, son moment magnétique [1]. Ils permettent d’améliorer le stockage et le traitement de l’information notamment à proximité immédiate du processeur. Les matériaux multiferroïques nécessaires pour ces applications doivent présenter une mise en ordre à longue distance des moments magnétiques (ferromagnétisme) telle que celle observée dans les aimants classiques, et une polarisation électrique spontanée (ferroélectricité) présente dans les condensateurs électriques par exemple. La combinaison de ces deux ordres dits ferroïques au sein d’un même matériau peut être mise à profit pour développer des mémoires où l’information n’est plus stockée sous forme de bit (0/1) mais de nombres pouvant varier de 0 à 3 (0/1/2/3), doublant de facto la capacité de stockage. De plus, le couplage par effet magnéto-électrique des moments magnétiques et de la polarisation électrique permettrait de contrôler l'aimantation à l’aide de tensions électriques comme celles générées par un processeur.

Les perovskites(*) sont actuellement les matériaux candidats pour obtenir des systèmes multiferroïques. Néanmoins, concilier ferroélectricité et ferromagnétisme dans de tels matériaux reste très difficile[2]. Les matériaux moléculaires pourraient être une voie alternative: il est en effet possible de concevoir des matériaux multiferroïques moléculaires de manière rationnelle car un large panel de mécanismes peuvent y induire des propriétés ferroélectriques [3], et plusieurs réseaux de coordination comme certains analogues du Bleu de Prusse [4] sont déjà connus pour présenter un ordre magnétique, parfois au-dessus de la température ambiante.

Une équipe du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses vient de mettre en œuvre cette stratégie rationnelle qui exploite la polyvalence des matériaux hybrides organiques-inorganiques pour intégrer d’emblée la dualité des propriétés recherchées au sein du composé pour obtenir le premier matériau multiferroïque moléculaire [5]. Leur approche est basée sur la capacité d’accueil de cations au sein du réseau et les propriétés ferromagnétiques bien établies de ces réseaux de coordination bimétalliques bidimensionnels (2D) [6]. Moyennant l’introduction d’un groupement organique supplémentaire dans le réseau, les chercheurs sont parvenus à insérer un cation organique connu pour ses propriétés ferroélectriques dans la matrice inorganique. La résolution de la structure par diffraction des rayons X sur monocristal révèle les empilements unidimensionnels polaires des cations, source de ferroélectricité, et une ondulation du réseau bimétallique 2D.

Le réseau anionique présente une phase ferromagnétique à une température plus basse que les analogues strictement plans. Les mesures électriques sur monocristaux révèlent que les cations confèrent au matériau des propriétés ferroélectriques. Ce matériau est donc comme le premier matériau multiferroïque moléculaire obtenu de manière rationnelle.

Ce résultat a été obtenu par une équipe pluridisciplinaire internationale, regroupant plusieurs laboratoires du CNRS [7]. Forte de premiers succès [8], l’équipe travaille à augmenter les températures critiques qui sont actuellement de quelques Kelvins et à introduire un couplage magnéto-électrique.

 

(*) La pérovskite est une structure cristalline commune à de nombreux oxydes. Ce nom a d'abord désigné le titanate de calcium de formule CaTiO3, avant d'être étendu à l'ensemble des oxydes de formule générale ABO3 présentant la même structure.

[1]   a) C. Chappert, A. Fert, Images de la Physqiue, 2005, 192; b) W. Eerenstein, N. D. Mathur, J.F. Scott, Nature 2006, 442, 759; c) S.W. Cheong, M. Mostovoy, Nat. Mater. 2007, 6, 13; d) D. Khomskii, Physics 2009, 2, 20.

[2]   N.A. Hill, J. Phys. Chem. B 2000, 104, 6694.

[3]   T. Akutagawa, H. Koshinaka, D. Sato, S. Takeda, S.-I. Noro, H. Takahashi, R. Kumai, Y. Tokura, T. Nakamura, Nat. Mater. 2009, 8, 342.

[4]   S. Ferlay, T. Mallah, R. Ouahes, P. Veillet, M. Verdaguer, Nature 1995, 378, 701-703.

[5]   E. Pardo, C. Train, H. Liu, L. M. Chamoreau, B. Dkhil, K. Boubekeur, F. Lloret, K. Nakatani, H. Tokoro, S. Ohkoshi, M. Verdaguer, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2012, 51, 8356.

[6]   R. Clement, S. Decurtins, M. Gruselle, C. Train, Monatsh. Chem. 2003, 134, 117.

[7]   Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Laboratoire Structures, Propriétés et Modélisation des Solides, Laboratoire Photophysique et Photochimie Supramoléculaires et Macromoléculaires

[8]    C. Train, R. Gheorghe, V. Krstic, L.-M. Chamoreau, N.S. Ovanesyan, G. L. J. A. Rikken, M. Gruselle, M. Verdaguer, Nat. Mater., 2008, 7, 729

train

Nouveau matériau hybride organique-inorganique qui présente une aimantation et polarisation électrique spontanées.

© Cyrille Train

 

Référence

E. Pardo, C. Train, H. Liu, L. M. Chamoreau, B. Dkhil, K. Boubekeur, F. Lloret, K. Nakatani, H. Tokoro, S. Ohkoshi, M. Verdaguer
Multiferroics by rational design: implementing ferroelectricity in molecule-based magnets

Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 2012, 51, 8356.

 

Contact chercheur

Cyrille Train, Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, Université Joseph Fourier- Grenoble


Courriel : cyrille.train@lncmi.cnrs.fr
Tél : 04 76 88 11 26

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin,Jonathan Rangapanaiken

 

21 septembre 2012

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