Synthèse et caractérisation des composés de type Pb(V1-xMx)O3, (M = Ti, Fe)

Synthesis and characterization of Pb(V1-xMx)O3 compounds

• Auteur / Autrice : Alexandru Okos
• Direction : Pierre Bordet, Aurel Pop
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 16/01/2014
• Etablissement(s) : Grenoble en cotutelle avec Universitatea Babeș-Bolyai (Cluj-Napoca, Roumanie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Universitatea Babeş-Bolyai (Cluj-Napoca, Roumanie). Facultatea de Biologie si Geologie - Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Romulus Tetean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Colin, Olivier Isnard, Viorel Pop
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Octavian Mădălin Bunoiu, Christine Martin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs polycristallins

Mots clés libres

Composés multiferroïques

Polycristallins

Propriétés physiques

Multiferroic compounds

Polycristalline bulk samples

Physical properties

Résumé

Les dernières années les composés multiferroïques ont attiré un grand intérêt en raison de leurs propriétés uniques qui rendent ces matériaux très intéressants pour des applications réelles, par exemple des condensateurs, des détecteurs et des actuateurs ou des dispositifs de mémoire d'ordinateur. Dans la recherche de multiferroïques, PbVO3 est un matériel très prometteur. PbVO3 est isostructural avec PbTiO3 qui est un matériel ferroélectrique très bien connu et étudié et il contient également des ions de vanadium qui portent un spin 1/2, donc, un certain type d'ordre magnétique peut être attendu. Cependant, aucun ordre magnétique n'a pu être observé ce qui pose les deux questions suivantes:1) pourquoi PbVO3 n'est pas magnétique ?2) est-ce que PbVO3 peut être réglé de sorte qu'il devienne magnétique ?L'objectif du projet était de fournir une réponse aux questions ci-dessus par l'étude de la synthèse et des propriétés physiques des oxydes potentiellement multiferroïques de type Pb(V1-xMx)O3 où M = Ti, Fe.Nous avons préparé deux types d'échantillons, échantillons polycristallins et monocristaux. Le batch polycristallin est plus grand et il contient deux séries: la série de titane et de la série de fer avec les compositions chimiques suivantes:PbV1-xTixO3 où x = 0, 0.1, 0.25, 0.5, 0.6, 0.75, 0.8, 1PbV1-xFexO3 où x = 0.1, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.55, 0.6 0.65, 0.75.Des monocristaux ont été préparés uniquement sous la forme de PbVO3 dans lequel aucune substitution n'a été essayée.La structure et les propriétés physiques des échantillons ont été étudiés et on a tenté de corréler les résultats et de formuler un modèle qui pourrait expliquer les comportements fascinants et souvent apparemment contradictoires de nos composés.Le document est structuré en cinq chapitres. Le premier chapitre passe en revue les concepts fondamentaux de la physique de derrière les composés multiferroïques, mettant l'accent sur les propriétés / phénomènes qui sont connectés à nos composés. Le premier chapitre s'occupe également des données déjà publiées dans la littérature pour PbVO3 et les composés substitués.Le deuxième chapitre décrit les méthodes expérimentales et les techniques de mesure utilisées au cours de l'étude.Le troisième chapitre présente les méthodes de préparation, les équipements de haute pression - hautes températures employées et les conditions de réaction nécessaires pour la synthèse de PbVO3 (et ses homologues substitués). La discussion est continuée avec les premières investigations et les résultats qui traitent de la pureté de phase.Le quatrième chapitre traite avec plus de détails les propriétés structurales des échantillons et le cinquième chapitre traite les propriétés magnétiques et diélectriques des composés potentiellement multiferroïques, Pb(V1-xMx)O3.Comme les propriétés physiques de ces matériaux sont fortement dépendantes de la structure des échantillons, les chapitres s'entrecroisent parfois, dans chaque chapitre, des résultats des autres chapitres sont mentionnés et une certaine redondance est donc inévitable. Les mesures d'absorption des rayons X forment le noyau de l'étude parce que ces mesures ont confirmé les états d'oxydation des cations du site B (où la substitution prend place). A partir de ces observations, presque toutes les propriétés structurales et physiques peuvent être expliquées. La substitution avec du titane, est donc révélée isovalente ce qui conduit à la formation de la solution solide PbVO3-PbTiO3 et à la dilution du réseau magnétique de PbVO3. D'autre part, la substitution avec du fer n'est pas isovalente et donc la solution solide PbVO3-PbFeO3 (ce dernier composé n'a jamais été signalé) s'arrête à x = 0.5. Le désordre introduit par la substitution avec du fer conduit à la formation d'un état magnétique similaire à un verre de spin et d'un comportement diélectrique typique pour un relaxeur ferroélectrique.

Recently, multiferroic compounds attracted huge interest due to their unique properties which make such materials very interesting for real life applications, from capacitors, sensors and actuators to computer memory devices. PbVO3 is a very promising material. It is isostructural with PbTiO3 which is a very well known and studied ferroelectric material and it also contains vanadium ions which carry a 1/2 spin so magnetic ordering can be expected. However, no sign of magnetic ordering could be observed which raises the following questions:1) why is PbVO3 not magnetic? and2) could it be tuned so that it becomes magnetic?The objective of the project was to provide some answer to the above questions by studying the synthesis and investigating of the physical properties of the Pb(V,M)O3, M = Ti, Fe potentially multiferroic oxides.We prepared two kinds of samples, polycrystalline and single crystals. The polycrystalline batch is larger containing two series, the titanium series and the iron series with the chemical compositions as follows.PbV1-xTixO3 with x = 0, 0.1, 0.25, 0.5 0.6, 0.75, 0.8, 1PbV1-xFexO3 with x = 0.1, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.55, 0.6 0.65, 0.75Single crystals were prepared only in the form of clean PbVO3 in which no substitution was attempted.The structure and the physical properties of the samples were studied and an attempt was made to correlate the results and try to formulate a model which could explain the intriguing and often apparently contradicting behaviours of our compounds. The present work discusses the results obtained during the study and attempts to shed some light on the subject, without asserting that it reaches a final and definitive conclusion.The work is structured on five chapters.The first chapter reviews the fundamental concepts of the physics behind the multiferroic compounds, emphasizing the exotic properties / phenomena that are connected to our compounds. The first chapter also deals with the data already published in literature for PbVO3 and some substitution compounds.The second chapter describes the experimental methods and investigation techniques used during the study.The third chapter presents the preparation methods, the high pressure - high temperature equipments employed and the reaction conditions required for the synthesis of PbVO3 (and the substitution counterparts). The discussion continues with the first investigations and results which are concerned with phase purity.The fourth chapter discusses with somewhat greater details the structural properties of the samples.The fifth chapter deals with the magnetic and dielectric properties of the potentially multiferroic Pb(V1-xMx)O3 compounds.Since the physical properties of these materials are strongly dependent on the structure of the samples, the chapters intertwine at times, in each chapter results from the other chapters being mentioned and some redundancy is thus unavoidable. The measurements of X-Ray absorption form the core of the work as these measurements confirmed the oxidation states of the B site cations (where the substitution takes places). From these observations almost the entire set of structural and physical properties can be explained. The substitution with titanium is thus shown to be isovalent which leads to the formation of the PbVO3-PbTiO3 solid solution and the dilution of the magnetic network of PbVO3. On the other hand the substitution with iron is not isovalent and therefore the solid solution PbVO3-PbFeO3 (the latter compound was never reported) stops at x = 0.5. The disorder caused by the iron substitution leads to the formation of spin glass like magnetic states and ferroelectric relaxor states on these compounds.