Comment la forme de nanoparticules influe sur leur structure ?

Les nanoaimants permanents d’une taille inférieure à 10 nanomètres sont des candidats de choix pour la réalisation de stockage magnétique de très haute densité. Les matériaux utilisés pour réaliser ces nanoaimants sont des alliages à deux composants, par exemple Cobalt et Platine. Pour que les nanoparticules aient une aimantation bloquée propice à leur utilisation comme bit d’information magnétique, il est indispensable que la répartition des deux types d’atomes soit parfaitement régulière. Ce n’est hélas pas le cas lorsque la particule est trop petite. Des physiciens du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ – UPMC / CNRS) en collaboration avec le Laboratoire d’Etude des Microstructures (LEM – CNRS / ONERA), le Centre Interdisciplinaire des Nanosciences de Marseille (CINaM – Univ. Aix Marseille) et la compagnie d’optique électronique japonaise (JEOL) ont étudié l’influence de la taille des nanoparticules sur leur arrangement atomique. Ils ont notamment montré que la taille n’est pas le seul paramètre à considérer : la forme est un élément important dans les propriétés structurales (et donc magnétiques) de ces nanoparticules. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Materials.

Pour ce travail, les physiciens ont observé des nanoparticules d’alliage Cobalt Platine grâce à des techniques de microscopie électronique quantitative à même de déterminer la structure atomique, la taille et la forme tridimensionnelle de nanoparticules déposées sur un substrat. A basse température, l’alliage Cobalt-Platine forme un cristal dans lequel la répartition de deux types d’atomes est parfaitement ordonnée et dont les propriétés magnétiques sont optimales. A haute température, les atomes restent organisés en une structure cristalline. Toutefois, le placement dans le cristal des atomes de Cobalt et de Platine se fait de manière aléatoire ; le matériau n’est alors plus magnétique. Pour un cristal massif, ce désordre apparaît au dessus de la température de 850°C. Les chercheurs ont montré que cette température de transition peut diminuer de 175°C lorsque ce même matériau est sous forme de nanoparticules pour laquelle l’une des dimensions est inférieure à 3 nanomètres. Ce résultat, confirmé par des simulations numériques, est très important pour les applications technologiques de ces nanosystèmes, car cet effet de taille limite de manière significative le domaine de température où la mise en ordre des nanoparticules peut être obtenue.

Figure

(a) Image de microscopie électronique à haute résolution d’une nanoparticule de CoPt dans la phase ordonnée observée selon la direction [110]. L’ordre chimique est très bien mis en évidence par la différence de contraste entre deux plans successifs le long de la direction [001], traduisant l’empilement de plans purs de Co et de Pt. (b) Reconstruction tridimensionnelle par tomographie électronique de nanoparticules de CoPt. ( c) Illustration de l’influence de l’effet de forme des nanoparticules sur l’abaissement de la température de transition ordre -> désordre dans le système CoPt.