Synthèse et étude de composés Ga₂₋ₓFeₓO₃

Synthesis and study of the Ga₂₋ₓFeₓO₃ compounds

• Auteur / Autrice : Monica Ciomaga Hatnean
• Direction : Loreynne Pinsard-Gaudart, Sylvain Petit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 17/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Chimie de Paris-Sud (Orsay, Essonne ; 2006-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Laboratoire Léon Brillouin - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (Orsay, Essonne ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Foury-Leylekian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loreynne Pinsard-Gaudart, Sylvain Petit, Pascale Foury-Leylekian, Marisa Medarde, Nathalie Viart, Bernard Malaman
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marisa Medarde, Nathalie Viart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Verres de spin

Ondes de spin

Matériaux ferrimagnétiques

Mots clés libres

Multiferroïque

Magnétoelectrique

Désordre de substitution

Verre de spin

Diffusion neutronique

Zone flottante

Multiferroics

Magnetoelectrics

Substitutional disorder

Spin glass

Neutron scattering

Floating zone

Résumé

Une sous-classe intéressante de matériaux multiferroïques est celle des composés multiferroïques magnétoélectriques, dans lesquels il existe un couplage entre les paramètres d’ordres ferroïques (magnétique et électrique). De ce point de vue, la classe des matériaux Ga₂₋ₓFeₓO₃ a attiré l’attention des chercheurs. Ces composés sont actuellement connus pour leur température de transition élevée ainsi que pour l’interaction possible entre leurs propriétés ferrimagnétiques et piézoélectriques. Leur structure cristallographique et magnétique est assez complexe, du fait du désordre de substitution interne Fe/Ga. Les oxydes M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) appartiennent à cette même famille de matériaux et ont été synthétisés pour la première fois afin d’obtenir une structure cristallographique ordonnée de GaFeO₃. Afin d’étudier les propriétés physiques de ces différents composés, nous avons synthétisé par la méthode de la zone flottante (au four à image), en utilisant différentes conditions de croissance, des monocristaux de composition Ga₂₋ₓFeₓO₃ (x=0.90, 1.00 et 1.10). Nous avons également élaboré des échantillons polycristallins de composés GaFeO₃ faiblement dopés en indium ainsi que le composé M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc). Nous avons enfin préparé de monocristaux de composition In₂Ga₂Fe₂O₉ par la méthode de croissance en flux. L’affinement Rietveld des diffractogrammes des rayons X et des neutrons nous a permis de montrer que les céramiques de GaFeO₃ faiblement dopées en indium et les monocristaux de Ga₂₋ₓFeₓO₃ cristallisent dans le groupe d’espace Pc2₁n. Les paramètres cristallins et la température de Néel caractéristiques pour les monocristaux de Ga₂₋ₓFeₓO₃ varient de manière linéaire avec la teneur en fer. Les affinements nous ont permis de conclure que la structure de ces composés est caractérisée par un désordre élevée (25% de la quantité du fer se trouve sur les sites natifs du gallium). L’incorporation graduelle de l’indium s’accompagne d’une augmentation du volume de la maille ainsi qu’à une diminution de la température de transition magnétique. Le spectre d’excitations magnétiques mesuré pour les cristaux de Ga₂₋ₓFeₓO₃ nous a permis de mettre en évidence une coexistence de l’ordre ferrimagnétique à longue portée et d’un signal de diffusion diffuse en-dessous de la température de Néel. Ce signal diffus suggère l’existence d’une composante de type verre de spin du fait du désordre interne des sites. L'étude de la variation thermique de la constante diélectrique sur un cristal de GaFeO₃ révèle l’absence d’un couplage magnétoélectrique au sein de ces matériaux. L’affinement Rietveld des diagrammes de diffraction des rayons X et des neutrons mesurés sur les poudres de M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) révèle une structure orthorhombique de type Pba2 fortement désordonnée, avec quatre sites cationiques d’occupation mixte. Les données de susceptibilité DC et AC couplées avec les mesures de chaleur spécifique et les spectres Mössbauer indiquent, en-dessous d’une température de Tg ≈ 19 K, l’existence d’un état fondamental de type verre de spin dans ce système. Les mesures du spectre d’excitations magnétiques ont mis en évidence l’absence d’ordre magnétique à longue portée et confirment l’existence d’une transition d’un état paramagnétique vers un état verre de spins. L’existence d’un comportement de type verre de spin dans les systèmes Ga₂₋ₓFeₓO₃ et M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) souligne l’importance du désordre interne pour la caractérisation de l'état fondamental magnétique.

An interesting sub-class of the multiferroic materials are the multiferroic magnetoelectrics, in which exists a coupling between the two ferroic order parameters (magnetic and electric). From this viewpoint, the case of the (Ga₂₋ₓFeₓO₃)-class of materials has retained special attention. These compounds are now well-known for their high transition temperature as well as for the potential interaction between their ferrimagnetic and piezoelectric properties. Their crystallographic and magnetic structure are quite complicated, due to the existence of an internal site disorder. M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) belongs to the (Ga₂₋ₓFeₓO₃)-class of materials and it was first synthesized in an attempt to obtain an ordered GaFeO₃ crystallographic structure. In order to study the physical properties of these compounds, Ga₂₋ₓFeₓO₃ (x=0.90, 1.00 and 1.10) single crystals have been synthesized by the floating zone method in an infrared image furnace, using different growth conditions. Indium doped GaFeO₃ (up to 10% indium content amount) and M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) polycrystalline materials have been prepared by solid state reaction. Also, In₂Ga₂Fe₂O₉ single crystals were prepared by the flux method. The indium doped GaFeO₃ and Ga₂₋ₓFeₓO₃ samples crystallize in the Pc2₁n space group as determined from Rietveld refinement of the X-ray and neutron single crystals and powder patterns. The cell parameters and the Néel temperature (TN) of the Ga₂₋ₓFeₓO₃ single crystals varies linearly with the iron content amount. The occupation factors were calculated by refinement and the results showed a disordered structure (25% of the iron amount is found on the native gallium sites). The gradual incorporation of indium is accompanied by an increase of the cell volume and a decrease of the magnetic transition temperature. The magnetic excitations spectra measured for the Ga₂₋ₓFeₓO₃ single crystals revealed a coexistence of a ferrimagnetic ordering and a diffuse scattering signal below the Néel temperature. The diffuse signal suggests the existence of a spin glass like component due to the internal site disorder. Dielectric investigations showed no temperature dependent anomaly of the dielectric constant for the GaFeO₃ single crystal, suggesting a lack of a magnetoelectric coupling signal in this system. The Rietveld refinement of the X-ray and neutron powder patterns for the M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) revealed a highly disordered orthorhombic Pba2 structure, offering four mixed cationic crystallographic sites. DC and AC susceptibility data in conjunction with the heat capacity data and Mössbauer measurements indicated a spin-glass-like behavior in this system, with a freezing temperature near Tf ≈ 19 K. The absence of an long range magnetic ordering and the existence of a transition from a paramagnetic state to a «frozen» state were showcased by the spin dynamics spectra measurements. The evidence for glassy behavior in the Ga₂₋ₓFeₓO₃ and M₂Ga₂Fe₂O₉ (M=In, Sc) systems highlights the importance of site disorder in determining the ground state magnetic properties.