Structure et magnetisme de nanoparticules ordonnées chimiquement FeRh dans la phase B2 en matrice de carbone comme film d'assemblée d'agrégats ou sur un substrat de perovskite

Structure and magnetism of B2 chemically ordered FeRh nanoclusters in carbon matrix, as a nanocluster assembled film and over perovskite substrate

• Auteur / Autrice : Guillermo Alberto Herrera Huerta
• Direction : Véronique Dupuis, Ingrid Canero Infante
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/05/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Emmanuel Cottancin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Andreazza, Marc Respaud, Agnès Barthélémy, Hélène Magnan, Christian-Laurent Piccolo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Andreazza, Marc Respaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magnétisme

Rhodium -- Alliages

Fer -- Alliages

Nanoparticules

Mots clés libres

Nanoscience

FeRh

Nanocluster

Métamagnétique

Nanomagnétisme

Nanoscience

FeRh

Nanocluster

Metamagnetic

Nanomagnetism

Résumé

Etre capable de contrôler le magnétisme au moyen d’un champ électrique est une question essentielle pour le développement de futur dispositif d’électronique de spin, de faible consommation. Dans ce contexte, au voisinage de la composition équiatomique, l’alliage FeRh chimiquement ordonné dans la phase B2 CsCl qui présente une transition métamagnétique depuis un ordre antiferromagnétique à basse température vers un ordre ferromagnétique juste au-dessus de la température ambiante, est un excellent candidat pour évaluer cette possibilité de modifier le magnétisme par un stimulus extérieur. En effet, récemment un cristal ferroélectrique a été utilisé pour induire par l’application de quelques volts, une modification de la température de transition de phase métamagnétique (MPT) sur un film FeRh épitaxié avec des applications potentielles pour l’enregistrement dense thermiquement activé. Dans ce travail de thèse, nous avons exploré les effets de taille finie dans des hétérostructures multiferroïques à l’échelle nanomètrique ultime dans le but d’acquérir une meilleure compréhension des corrélations d’échange magnétique agissant à plus courtes distances dans la phase AF que dans la phase FM. Ainsi des nanoaimants FeRh monodomaines ont été préparés par la technique de dépôt d’agrégats de faible énergie triés en masse (LECBD-MS) de différentes tailles. Dans le but d’ajuster la surface chimique et les contraintes interfaciales mais aussi en vue de découpler ces différents paramètres, nous avons étudié la structure et le magnétisme de nanoparticules chimiquement ordonnées FeRh dans la phase B2 en matrice de carbone comme film d'assemblée d'agrégats ou sur un substrat de perovskite. Dans un premier temps, nous avons montré que des recuits sous vide à hautes températures permettent d’atteindre la phase B2 chimiquement ordonnée dans tous les systèmes étudiés. Nous avons mis en évidence une taille critique intrinsèque pour l’observation de la transition métamagnétique AF/FM avec la coexistence de plusieurs ordres magnétiques mais aussi le rôle des interactions dans les systèmes granulaires. En utilisant des techniques de spectroscopie et de diffraction X sous rayonnement synchrotrons, nous avons étudié finement les relations d’épitaxie entre les facettes des nanocristaux d’alliage et la surface de substrats de SrTiO3 et BaTiO3, en montrant que la compétition entre les effets de contraintes induites à l’interface métal/oxyde et de relaxation de surface dans les agrégats ne permet pas d’induire un ordre antiferromagnétique dans les nanoparticules.

Controlling nanomagnetism by means of an electric field is a key issue for the future development of low-power spintronic. In this context, near equiatomic composition, the CsCl-like B2 chemically ordered FeRh alloy which presents a metamagnetic transition from a low temperature antiferromagnetic order to a high temperature ferromagnetic order just above room temperature, is a very good candidate for assessing magnetic control through external stimuli. Recently, a ferroelectric crystal has been used to electrically drive the temperature of such metamagnetic phase transition (MPT) of epitaxially grown FeRh films with only a few volts, with potential media applications for thermally assisted magnetic recording. This effect may be the signature of magnetic exchange correlations, acting at shorter-range in the AF than in the FM phases. In order to achieve a better understanding and control of such metamagnetic phase transition, we have explored the finite size effect in multiferroic heterostructure at the ultimate nanoscale. Thus monodomain FeRh nanomagnets have been prepared by low energy clusters beam deposition with different sizes. We have studied structure and magnetism of B2 chemically ordered FeRh nanoclusters in carbon matrix, as a nanocluster assembled film and over pevoskite substrate. In a first step, we have shown that annealing at high temperature under vacuum allow to reach the B2 chemical order for every studied system. We evidence an intrinsic critical nanosize for the observation of the metamagnetic AF/FM transition with the coexistence of several magnetic orders by studing also the role of of interaction in nanogrunular systems. By using X-ray spectroscopy and diffraction under synchrotron facilities, we well-describe epitaxial relationship between faces of alloy nanocristal and surface of SrTiO3 et BaTiO3 substrates, by showing that competition between induced strain at the Metal/Oxide interface and cluster surface relaxation avoid to induce antiferromagnetic order in nanoparticles.