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Un ordre chimique inattendu dans des nanoparticules d'alliage magnétique

Paris, 19 février 2013

Les nanoparticules des alliages magnétiques FePt et CoPt conservent leur structure ordonnée même à l’échelle nanométrique. Cet ordre, qui se préserve même au travers des séparations entre domaines voisins, conduit à des structures décahédrales à cinq domaines observées pour la première fois avec un alliage.

L’alliage magnétique FePt (fer platine) est un bon candidat pour la réalisation de supports de stockage magnétique car il est très difficile de modifier son aimantation. Cette propriété provient d’un ordre chimique : l’alliage FePt est un empilement de plans atomiques de fer alternant avec des plans de platine, une structure qui bloque l’aimantation dans la direction perpendiculaire à ces plans cristallins. Des physiciens de l’Institut Lumière Matière - ILM (CNRS / Univ. Lyon 1) et du laboratoire Matériaux : Ingénierie et Science - MATEIS (CNRS / INSA Lyon / Univ. Lyon 1) en collaboration avec une équipe japonaise de l’Université de Tohoku à Sendai ont montré que contre toute attente, cette structure persiste même à l’échelle nanométrique, alors que les effets de surface peuvent devenir assez importants pour prendre le dessus sur ce qui se passe dans le volume du matériau. Ils ont synthétisé des nanoparticules de cet alliage et de l’alliage similaire CoPt (cobalt platine) et ont déterminé la structure de ces particules par microscopie électronique. L’ordre chimique est préservé dans les particules monocristallines et donc présentant un seul domaine d’aimantation. Cet ordre est aussi préservé dans les particules présentant plusieurs domaines et dans ce cas, il persiste même à travers la frontière séparant les grains. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters, vient confirmer sans ambiguïté la stabilité de ces structures prédite récemment grâce à des simulations numériques.

Les physiciens ont synthétisé les particules d’alliage (d’une taille comprise entre 3 et 5 nanomètres de diamètre, ce qui correspond à des assemblages de quelques milliers d’atomes) par une technique de vaporisation laser suivie d’un dépôt dans des conditions d’ultravide, puis recuites pour favoriser l’apparition de l’ordre chimique. La microscopie électronique en transmission a permis de mettre en évidence que plusieurs géométries de particules peuvent coexister, avec en particulier des structures non-cristallines (décaèdres et icosaèdres) qui ne peuvent exister que pour des petites tailles. En plus de particules cristallines sans défaut, les chercheurs ont observé des particules constituées de plusieurs « domaines » chimiquement ordonnés, c’est-à-dire avec des successions Co/Pt ou Fe/Pt selon différentes directions. Ce résultat était inattendu, surtout pour des particules aussi petites, puisque l’existence de ces différentes zones constitue un défaut d’ordre chimique et correspond donc à un coût en énergie. Enfin, les chercheurs ont clairement pu observer une structure très « exotique » prédite quelques années auparavant par des calculs théoriques : des particules à symétrie 5 (décaèdres) présentant un ordre chimique, sous la forme de 5 domaines. Ces observations ont confirmé certaines prédictions théoriques sur la structure de ces nanoparticules d’alliage magnétique. Elles donnent également des informations précieuses permettant de mieux appréhender les propriétés magnétiques de ces particules en vue d’application dans le stockage de l’information.

nanoparticules d'alliage magnétique

Images de microscopie électronique en transmission à haute résolution (provenant de Sendai, à gauche et de Lyon, à droite) montrant des particules de FePt avec une symétrie 5 (on distingue facilement des pentagones) et un ordre chimique (succession de plans atomiques de Fe et de Pt). Au milieu, la structure atomique correspondante (vue sous deux angles, les atomes de Fe et de Pt étant représentés par une couleur différente), prédite par des calculs théoriques récents.

En savoir plus

Multi-L10 Domain CoPt and FePt Nanoparticles Revealed by Electron Microscopy, F. Tournus1, K. Sato2, T. Epicier3, T. J. Konno2, et V. Dupuis1, Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 110, 055501 (2013)