Modification des propriétés physiques d'intermétalliques de type structural CeScSi par insertion d'éléments légers (H, C)

Modification of the physical properties of intermetallics with the CeScSi structure type by light element insertion (H, C)

• Auteur / Autrice : Tadhg Mahon
• Direction : Etienne Gaudin, Sophie Tencé
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-Chimie de la Matière Condensée
• Date : Soutenance le 31/10/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (Pessac)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Isnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Gaudin, Sophie Tencé, Olivier Isnard, Volodymyr Yartys, Valérie Paul-Boncour, Mario Maglione, Bernard Malaman, Bernard Chevalier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Volodymyr Yartys, Valérie Paul-Boncour

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux de transition

Terres rares

Cristallographie

Magnétisme

Composés intermétalliques

Mots clés libres

Intermétalliques

Cristallographie

Magnétisme

Hydrure

Carbure

Insertion

Intermetallics

Crystallography

Magnetism

Hydride

Carbide

Insertion

Résumé

Dans ce travail on a étudié l’insertion d’éléments légers dans des intermétalliques TRMX(TR = Terre-Rare, M = métal de transition, X = Si ou Ge) qui cristallisent dans le type structural CeScSi.Cette structure contient deux types de sites interstitiels dans lesquels il est possible d’insérer deséléments légers : un site tétraédrique TR4 et un site octaédrique TR2M4.Pour tous les composés étudiés au cours de ce travail (GdScGe, NdScSi, CeTiGe,...) on a observésystématiquement une insertion des atomes d’hydrogène dans les sites tétraédriques TR4. Danscertains cas les atomes d’hydrogène occupent également les sites octaédriques TR2M4. Ceci aconduit à l’obtention de deux type d’hydrures : TRMXH et TRMXH1,5 pour lesquels on observe unetrès forte diminution de l’ordre magnétique et des changements significatifs des propriétés deconduction électrique par rapport aux phases initiales.L’insertion de carbone par fusion des éléments à l’aide d’une procédure en plusieurs étapes permetd’obtenir des phases TRScSiCx avec un taux de carbone variable (0 ≤ x ≤ 0,5) qui correspond à unremplissage plus ou moins partiel du site octaédrique TR2M4. Cette insertion de carbone induitégalement une diminution des températures d’ordre magnétique (de Curie et de Néelrespectivement pour NdScSi et CeScSi).Dans une deuxième étape on a montré qu’il est possible d’insérer partiellement de l’hydrogène dansles sites TR4 laissés vacants. Des changements de type d’ordre magnétique ont été observéscontrairement aux hydrures et carbures précédents. Des études systématiques de diffractionneutronique ont permis de déterminer les structures magnétiques à basse température de la plupartde ces nouvelles phases d’insertion.

Rare earth based intermetallics RTX (R = rare earth, T = transition metal, X = Si, Ge)crystallising in the layered CeScSi structure type contain vacant interstitial sites that can be filled bylight elements to modify the initial physical properties. Hydrogenation studies on CeScSi-typecompounds show that hydrogen atoms are inserted in the tetrahedral (R4) sites and sometimes inthe octahedral (R2Sc4) sites. This causes an anisotropic expansion of the unit cell with a decreasingand c strongly increasing. It also drastically lowers the magnetic ordering temperatures of the parentmaterials and changes their resistivity behaviour.We developed a multi-step process to synthesise intermetallic carbides (RTXCX) with controllable Ccontent. Neutron diffraction shows that C occupies only the R2Sc4 sites of the RScSi compounds (R =La-Nd and Gd) causing the increase of the a cell parameter and the decrease of the c one. We obtainRScSiCX solid solutions with 0.0 ≤ x ≤ 0.5 for R = Ce and 0.25 <̰ x ≤ 0.5 for R = Nd. Carburation reducesthe Curie and Néel temperature of the NdScSi and CeScSi pristine phases, respectively.As the R4 tetrahedra are empty in the RScSiCX carbides, we have succeeded in hydrogenating thesematerials (R = Ce and Nd). However, due to the antagonistic structural distortion induced by C and Hinsertion respectively, only around 15 % of the R4 sites could be filled for a final composition ofRScSiC0.5H~0.15. It also changes the type of magnetic behaviour from a ferromagnetic order to anantiferromagnetic order in NdScSiC0.5.Neutron diffraction experiments have been performed to determine the magnetic structures ofthese new insertion compounds.