Le renforcement du couplage magnétoélastique dans les composites magnétoélectriques massives synthétisés par Laser Heated Pedestal Growth

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

• Auteur / Autrice : Gilbert Umugabe
• Direction : Andrea Gauzzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Ducinei Garcia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Vidal
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Martino Lo Bue, Fayna Mammeri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux multiferroïques

Spectroscopie Raman

Magnétoélasticité

Électromagnétisme

Mots clés libres

Composites ME 0-3

Microstructure

LHPG

Couplage magnéto-élastique

Magnétisation M(H,T)

Chaleur spécifique C(T,H)

0-3 ME composites

Microstructure

LHPG

Magnetoelastic coupling

Magnetisation M(T,H)

Field-dependent specific heat C(T,H)

Résumé

Dans la recherche de matériaux magnétoélectriques (ME) présentant des performances ME élevées, nous étudions dans cette thèse certains mécanismes fondamentaux qui conduit au renforcement du couplage magnéto-élastique dans les composites MEs. Notre étude porte sur les composites particulaires 0-3 composés de phase magnétostrictive (MS) de CFO imbibée dans des matrices ferroélectriques (FE) suivantes : à base de Pb PZT, PMNPT et leur alternative sans plomb KNN et BTO. Nous démontrons que la technique Laser Heated Pedestal Growth (LHPG) peut être utilisé pour synthétiser des échantillons massives avec une microstructure texturée prononcée entre les phases FE et MS. Scanning electron microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) et X-ray diffraction (XRD) sont utilisés pour caractériser systématiquement l’orientation des grains, la taille des grains and la qualité d’interface entre les différentes phases citées ci-avant. Une étude systématique par le biais de la spectroscopie Raman, les mesures de magnétisation M (H,T) et de chaleur spécifique C(T,H) nous ont permis de sonder le couplage magnéto-élastique directement dans les échantillons MEs. En combinant les analyses des données structurales et thermodynamiques précédentes, cela montre que la structure avec une texture prononcée dans les échantillons synthétisés par LHPG conduit à une forte augmentation de la réponse magnéto-élastique. Nous soutenons que ce résultat est très prometteur pour la conception des matériaux ME. Enfin, nous suggérons que l'étude de la chaleur spécifique précédent offre une sonde sans contact pour étudier le couplage spin-réseau de manière intrinsèque dans une large gamme de matériaux ME y compris les multiférroiques.

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) phase CFO embedded in the following ferroelectric (FE) matrices: Pb-based PZT, PMNPT and alternative lead-free KNN and BTO. We demonstrate that the laser heated pedestal growth (LHPG) technique can be successfully used to grow high-quality bulk samples exhibiting a pronounced textured microstructure between the FE and MS phases. Scanning electron microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were used to characterise systematically grain orientation, grain size and quality of the interface between the FE and MS phases. A systematic study 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 in the ME samples. The combined analysis of the above structural and thermodynamic data 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 is very promising for ME material design. We finally propose that the above specific heat study offers a contactless probe to investigate the intrinsic spin-lattice coupling in a wide range of ME materials including multiferroics.