Étude des spinelles à base de manganèse MxMn₃-xO₄(M=Mg, Ga) : synthèse, cristallochimie, corrélations magnétiques et modélisation

Study of manganites MxMn₃-xO₄(M=Mg, Ga) spinel structure : synthesis cristallochemistry, magnetic correlations and modeling

• Auteur / Autrice : Boubker Medhaoui
• Direction : Mona Bahout, Octavio Peña
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Rennes 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Neutrons -- Diffraction

Frustration (physique)

Ordre à grande distance (physique)

Manganites

Spinelles

Résumé

Dans les spinelles AB2O4, A sont en sites tétraédriques et les ions B en sites octaédriques. Les interactions AF du sous-réseau B conduisent à une forte frustration magnétique. Nous étudions deux systèmes : (i) MgxMn3-xO4 (x ≤ 2), dans lequel les deux sites sont initialement occupés par un ion magnétique (Mn3O4), et nous introduisons des ions non magnétiques Mg2+ dans le sous-réseau A pour aller vers un réseau pyrochlore pur (MgMn2O4). A partir de x > 1, nous diluons le réseau pyrochlore, le sous-réseau A étant occupée par l’ion non magnétique Mg2+. (ii) GaxMn3-xO4 (x ≤ 2), où la substitution a lieu dans le réseau pyrochlore, le sous-réseau A étant occupé par l’ion magnétique Mn2+. Les composés sont synthétisés par voies chimique ou céramique, la caractérisation structurale effectuée par diffraction des rayons X et neutrons. L’état ordonné est analysé au travers de l’aimantation en fonction de T et H, et par la structure magnétique déterminée par diffraction des neutrons sur poudre. Une grande variété de comportements est observée dans MgxMn3-xO4 : ordre tridimensionnel à courte distance jusqu’à température ambiante, ordre bidimensionnel à courte distance, ordre ferrimagnétique tridimensionnel non colinéaire à grande distance, état verre de spin. Un ordre ferrimagnétique colinéaire à grande distance est observé dans GaxMn3-xO4, montrant que la substitution dans le sous-réseau B, responsable de la frustration magnétique, favorise un ordre magnétique fort, avec une évolution vers un comportement verre de spin à dilution plus élevée.

Spinel materials of formula AB2O4 are based on two types of crystallographic sites: tetrahedral A and octahedral B. Antiferromagnetic interactions taking place at the B-site network are at the origin of strong magnetic frustration. Two solid solutions are presented: (i) MgxMn3-xO4 (x ≤ 2), where both sites are initially occupied by a magnetic ion (Mn3O4), and in which we substitute Mn2+ by nonmagnetic Mg2+ at the A-site network, creating a pure pyrochlore state for MgMn2O4. For x > 1, magnetic dilution operates at the B-site network, the A-sublattice being entirely occupied by nonmagnetic Mg2+. (ii) GaxMn3-xO4 (x ≤ 2), for which the substitution takes place at the pyrochlore network, the A-sublattice being occupied by magnetic Mn2+. Materials are synthesized by chemical or solid-state techniques, structural characterization is performed by X-ray and powder neutron diffraction. The ordered state is analyzed through the magnetization as a function of T and H, and by magnetic structural determination from neutron diffraction data. A large variety of magnetic behaviours are observed in MgxMn3-xO4: short-range three-dimensional order up to room temperature, short-range bidimensional order, non-collinear long-range three-dimensional ferrimagnetic order, spin glass state. A long-range collinear ferrimagnetic order is observed in GaxMn3-xO4, showing that substitution at the B network, responsible of the magnetic frustration, favours strong magnetic interactions, with an evolution towards a behavior spin glass to higher dilution.