Couches minces à base de Gadolinium appliquées à la réfrigération magnétique

Thin films based on Gadolinium applied to the magnetic refrigeration

• Auteur / Autrice : Asmaa Endichi
• Direction : Stéphane Mangin, Abdallah El Kenz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Mohamed El Bouziani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mangin, Abdallah El Kenz, Mohammed Sajieddine, Thomas Hauet, Mohamed Balli, Salma Lahbabi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed El Bouziani, Mohammed Sajieddine

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spintronique

Propriétés magnétiques

Gadolinium

Matériaux multiferroïques

Couches minces métalliques

Effet magnétocalorique

Mots clés libres

Couche mince

Multiferroïques

Terre rare

Magnétisme

Spintronique

Effet magnétocalorique

Thin film

Multiferroic

Rare earth

Magnetism

Spintronics

Magnetocaloric effect

Résumé

La recherche en matière de caractérisation de matériaux à effet magnétocalorique géant à l’état massif et à une température proche de la température ambiante est d'un grand intérêt pour l’application de la réfrigération magnétique. Il est admis que la transition de premier ordre dans ces matériaux présente une hystérésis thermique considérable, les rendant ainsi difficiles à manipuler dans les applications pour les réfrigérateurs fonctionnant de manière cyclique. Beaucoup d'efforts ont été accomplis au cours de ces dernières années pour réduire cette hystérésis, mais les performances obtenues avec ces matériaux massifs ne répondent pas aux exigences d’une réfrigération magnétique efficace. Si les matériaux magnétocaloriques à l’état massif ont été largement étudiés ; l'échelle nanométrique correspondante reste cependant insuffisamment explorée. À cet effet, la nanostructuration, une approche largement bien connue et utilisée pour la mise au point et l’optimisation des relations structure-propriété des matériaux en questions, permet des nouvelles perspectives en matière d’amélioration de leurs caractéristiques magnétiques et magnétocaloriques en modifiant leur taille et leur forme. Pour ce faire, l’étude des propriétés magnétocaloriques des matériaux sous forme de couches minces est centrale pour pouvoir réduire au maximum l’hystérésis thermique, sachant que l’effet magnétocalorique dans les couches minces magnétiques est particulièrement intéressant pour la micro-réfrigération. Dans ce sens, peu d’études ont été menées pour montrer le potentiel des matériaux sous forme de couches minces pour la réfrigération magnétique. De même, les propriétés magnétiques (aimantation de saturation, la variation de l’entropie magnétique et du rapport de refroidissement relatif…) mesurées restent limitées. C’est dans ce cadre que le pèsent travail a été mené en étudiant le gadolinium métallique, en tant que matériau réfrigérant magnétique de référence pour la plupart des prototypes de régénérateur magnétique actif (AMR) sous forme de couche mince. Les propriétés magnétocaloriques (MCE) et électrocaloriques (ECE) des films de gadolinium fabriqués à cette fin (Si/Ta/Gd(100nm)/Pt(3nm)) sont alors mesurées dans le but d'obtenir plus d'informations sur la physique derrière ses intéressantes propriétés électroniques et magnétique en démontrant notamment l'effet magnéto-calorique du film mince Gd par la mesure du transport électrique de la résistance. Ainsi, au cours de cette thèse, les comportements électriques et surtout magnétiques de LaCr2Si2C et de multiferroïques TbMn2O5 sont décrits en utilisant la méthode ab-initio dans le but d'élargir notre compréhension des caractéristiques électroniques, magnétiques et par conséquent magnétocaloriques de ces composés à base de terre rare. L’élaboration et la caractérisation des couches minces pour la réfrigération magnétique, le traitement des données correspondantes ont été effectués conjointement au sein du laboratoire de recherche en science des matériaux avec l’équipe nanomagnétisme et électronique de spin à l’institut Jean Lamour à Nancy et au laboratoire de matière condensée et sciences interdisciplinaires à la faculté des sciences de Rabat.

The search for materials with a giant magnetocaloric effect in a massive state and at a temperature close to ambient temperature is of great interest and is mainly obtained by varying the composition of the materials. However, the first-order transition in these materials exhibits considerable thermal hysteresis, making them difficult to handle in applications for refrigerators operating cyclically. Much effort has been made in recent years to reduce this hysteresis, but the performance obtained with these massive materials does not meet the requirements of efficient magnetic refrigeration. Magnetocaloric materials have been largely unexplored on the nanoscale. However, nanostructuring is a well-known and used approach to disrupt the developed structure-property relationships, hence the interest in manufacturing new nanoscale materials. This will improve their magnetic and magnetocaloric characteristics by varying the size and shape. On the other hand, the magnetocaloric effect in magnetic thin layers is particularly interesting for micro-refrigeration. It is therefore important to study the magnetocaloric properties of materials in the form of thin layers in order to eliminate thermal hysteresis. In this sense, few studies have been done to show the potential of thin film materials for magnetic refrigeration and magnetic properties (saturation magnetization, variation of magnetic entropy and relative cooling ratio ...) measured so far limited remains. In this thesis project, we studied metallic gadolinium, which is the preferred choice as a magnetic refrigerant for most prototypes of active magnetic regenerator (AMR) in the form of a thin layer. The magnetocaloric (MCE) and electrocaloric (ECE) properties of the manufactured gadolinium films (Si / Ta / Gd (100 nm) / Pt (3nm)) are measured, in order to obtain more information on the physics behind the interesting electronic and magnetic properties of this material we demonstrate the magneto-caloric effect of the thin film Gd by measuring the electrical transport of the resistance. Thus, during this thesis, the electrical and especially magnetic behaviors of LaCr2Si2C and multiferroics TbMn2O5 are described using the ab-initio method, in order to broaden our understanding of the electronic, magnetic and therefore magnetocaloric characteristics of these compounds based on rare earth. The development of thin layers for magnetic refrigeration was carried out in the materials science research laboratory with the nanomagnetism and spin electronics team at the Jean Lamour Institute in Nancy and the theoretical calculations are made in the material laboratory condensed and interdisciplinary sciences at the Faculty of Sciences of Rabat.