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Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
UMR 7590 - Sorbonne Université/CNRS/MNHN/IRD

Soutenance de thèse de Gilbert Umugabe

Gilbert Umugabe, doctorant dans l'équipe Design et étude de nouveaux matériaux à propriétés remarquables (DEMARE) soutientsa thèse le mercredi 18 décembre 2019 à 14 h.

IMPMC - Sorbonne Université - 4 place Jussieu, 75005 Paris, tour 23, 4e étage, couloir 22-23, salle 401

Enhanced magnetoelastic coupling in bulk magnetoelectric composites prepared by Laser Heated Pedestal Growth

 

Résumé


Dans le cadre de la recherche de matériaux magnétoélectriques (ME) avec performances ME élevées, nous étudions quelques mécanismes fondamentaux permettant le renforcement du couplage magnéto-élastique dans le cas des matériaux composites.
Notre étude porte sur les composites particulaires dites de type 0-3 où la phase magnétostrictive (MS) CoFe2O4 (CFO) est imbibée dans une matrice ferroélectrique
(FE) à base de Pb: Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb(Mg1/3,Nb2/3)-PbTiO3 (PMNPT) et alternative sans plomb BaTiO3 (BTO) et (K1/2,Na1/2)NbO3 (KNN). Nous démontrons tout d’abord que la technique de croissance de Laser Heated Pedestal Growth (LHPG) peut être utilisée avec succès pour élaborer des échantillons bulk de haute qualité ayant une structure texture prononcée ainsi qu’une microstructure inédite de type dendritique formée par les phases FE et MS. Ensuite, nous avons caractérisé et comparé les propriétés structurelles et magnéto-élastiques des échantillons LHPG avec celles des échantillons bulk synthétisés par la technique traditionnelle de frittage en phase solide (CS). Nous avons utilisé la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectroscopie par énergie dispersive de rayons X (EDX) et la diffraction des rayons X (DRX) pour caractériser la microstructure de ces deux types d’échantillons, en soulignant l’orientation des grains et la taille grain et la qualité de l’interface entre les phases FE et MS. Une étude des propriétés structurelles et thermodynamiques par la spectroscopie Raman, l’aimantation M(T,H) et la chaleur spécifique C(T,H) nous a permis de mesurer directement le couplage magnéto-élastique. Les analyses de ces propriétés montrent systématiquement que la structure texturée prononcée des échantillons LHPG conduit à une amélioration remarquable de la réponse magnétoélastique. Ce résultat est très prometteur pour l’ingénierie de la microstructure dans des matériaux ME. Finalement, nous proposons que l’étude ci-dessus de la chaleur spécifique constitue une sonde sans fil pour étudier le couplage intrinsèque spin-réseau dans une large gamme de matériaux dont les matériaux composites ME et les multiferroïques monophasés en général.

Abstract


In the search for magnetoelectric (ME) materials with enhanced ME performances, in the present thesis we investigate some fundamental mechanisms leading to an enhanced magnetoelastic coupling in artificial ME composites. We focus on 0-3 particulate composites made of a magnetostrictive (MS) CoFe2O4 phase (CFO) embedded in the following ferroelectric (FE) matrices: Pb-based Pb(Zr,Ti)O3 (PZT), Pb(Mg1/3,Nb2/3)-PbTiO3 (PMN-PT) and alternative lead-free BaTiO3 (BTO) and (K1/2,Na1/2)NbO3 (KNN). We first demonstrate that the Laser Heated Pedestal Growth (LHPG) technique can be successfully used to grow high-quality bulk samples exhibiting a pronounced textured structure with an unusual dendritic-like patterns formed by the FE and MS phases. Second, we characterised and compared the structural and magnetoelastic properties of such LHPG samples with similar bulk samples prepared using a conventional solid state sintering (CS) route. We used scanning electron microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) to characterise systematically the microstructure of the two types of samples, with emphasis on grain orientation, grain size and quality of the interface between the FE and MS phases. A study of structural and thermodynamic properties by means of Raman spectroscopy, magnetisation M(T,H) and field-dependent specific heat C(T,H) measurements enabled us to probe directly the magnetoelastic coupling. The analyses of the above properties consistently shows that the pronounced textured structure of the LHPG samples leads to an impressive enhancement of the magnetoelastic response. We argue that this result offers a promising wireless probe to investigate the intrinsic spin-lattice coupling in a wide range of materials in which ME composites and single-phase multiferroics materials in general.

Jury

  • Martino Lo Bue (DR-CNRS) - SATIE, ENS Cachan - Rapporteur
  • Fayna Mammeri (MC) - ITODYS, Université Paris Diderot - Rapporteur
  • Ducinei Garcia (PU) - UFSCar, São Carlos, São Paulo, Brazil - Examinateur
  • Franck Vidal (MC) - INSP, Sorbonne Université - Examinateur
  • Massimiliano Marangolo (PU) - INSP, Sorbonne Université - Invité
  • Andrea Gauzzi (PU) - IMPMC, Sorbonne Université - Directeur de thèse

Cécile Duflot - 10/12/19

Traductions :

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    Le fer est l’élément le plus abondant de la Terre, et compose l’essentiel de son noyau. C’est aussi le constituant majeur des aciers utilisés en métallurgie. Comprendre les différentes structures cristallines qu’il adopte, les mécanismes de transition de phase ainsi que les microstructures qui en résultent...

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