Étude de nouveaux composés intermétalliques magnétiques

Structural and magnetic studies of new intermetallic compounds

• Auteur / Autrice : Ibrahima Sarr
• Direction : Anne Verniere, Léopold Diop
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 29/09/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : C2MP - CHIMIE MECANIQUE MATERIAUX PHYSIQUE
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : DEPARTEMENT 1 - P2M : Physique de la Matière et des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Intermétalliques

Magnétisme

Diffraction RX et neutrons

Spectroscopie Mössbauer

Transition du 1er ordre

Fermions lourds

Intermetallics

Magnetism

X-rays and neutrons diffraction

Mössbauer spectroscopy

First-order transition

Heavy fermions

Résumé

L'émergence de matériaux à base d'éléments de terre rare et de métaux de transition présentant des propriétés magnétiques inégalées est en plein développement et a ouvert de nouvelles voies de recherche et de nombreuses applications aux composés intermétalliques. Les intermétalliques font l'objet d'une attention particulière en physico-chimie du solide du fait de la grande diversité de leurs propriétés physiques : phénomènes de fluctuations de valence, fermions lourds, effet Kondo, structures magnétiques complexes et non conventionnelles, frustration magnétique, anisotropie magnétocristalline. Les propriétés remarquables de ces matériaux peuvent également être mises à profit dans de nombreuses applications : aimants permanents, enregistrement magnétique, électronique de spin, magnétorésistance, magnétostriction, supraconductivité, stockage de l'hydrogène, thermoélectricité, capteur, réfrigération magnétique … La synthèse et la connaissance des propriétés spécifiques de nouveaux matériaux, maîtrisées à différentes échelles et sous des formes variées, sont donc nécessaires pour apporter une réponse aux enjeux sociétaux. Différentes propriétés peuvent être combinées au sein d'un même matériau engendrant de la plurifonctionnalité, voire de la synergie entre ces propriétés. Les innovations ont pour socle commun la synthèse de nouveaux composés et leur mise en forme en matériaux fonctionnels. Le design de nouveaux intermétalliques aux propriétés optimales nécessite la compréhension sous-jacente des phénomènes microscopiques mis en jeu afin de pouvoir ajuster les paramètres désirés. La thèse débutera par la synthèse et la caractérisation de composés intermétalliques dont certains découverts très récemment au sein de l'équipe (RMo3SiC2). Les travaux seront étendus aux systèmes ternaires et/ou quaternaires (R-Cr-Si-C, R-Mo-Si-C, Hf-W-Fe …) qui présentent des structures cristallographiques originales s'accompagnant d'une grande diversité de leurs propriétés physiques. La combinaison d'états électroniques si différents donne lieu à une large variété de structures et des propriétés magnétiques remarquables (fluctuation de valence, frustration magnétique). Les phases intermétalliques à réseau kagomé de métal de transition suscitent un fort intérêt en raison de leur structure électronique particulière (bandes peu dispersives, matériaux topologiques) et de la possibilité d'y observer un important effet Hall anormal. L'identification de systèmes magnétiques à expansion thermique négative ou nulle, sera également envisagée étant donné l'intérêt de ces matériaux pour l'industrie (optique, aérospatiale …). Le sujet est par nature interdisciplinaire puisque partant de la synthèse/élaboration des composés intermétalliques, il va jusqu'aux caractérisations des propriétés physiques les plus fines (techniques de laboratoires et grands instruments). L'analyse structurale sera effectuée par diffraction des rayons X notamment à basse température et la diffraction neutronique permettra également de déterminer les structures magnétiques des différents matériaux étudiés (la détermination de l'amplitude et de l'orientation des moments magnétiques reste un objectif important). Cette dernière technique, outil de choix tant pour localiser les atomes légers que pour déterminer les structures magnétiques, se fera en particulier à l'Institut Laue Langevin (Grenoble).

The emergence of rare earth–transition metal (R–T) compounds exhibiting remarkable magnetic properties has renewed the interest of the scientific community in such family of compounds. In addition to the high-performance permanent magnets that are crucial for green energy applications, other materials with unique and useful properties emerged. For example, giant magnetocaloric effect can be used for magnetic refrigeration, large magnetostriction and novel magnetotransport properties can find applications in modern technologies. The understanding of the crystal structure, chemistry and physical properties of these complex materials is of prime importance in order to optimize their properties and performances and to design new ones with desired properties. The PhD work will start with the synthesis and characterization of the alloys; some of which were most recently discovered in the team, namely, RMo3SiC2. The work will be extended to the ternary and quaternary systems (R-Cr-Si-C, R-Mo-Si-C, Hf-W-Fe, etc.). These materials display original crystallographic structures accompanied with large diversity of their physical properties. The combination of such different electronic states gives rise to a wide variety of structures and remarkable magnetic properties (valence fluctuation, magnetic frustration ). Intermetallic phases with a kagomé network are of great interest due to their particular electronic structures (slightly dispersive bands, topological materials) and the possibility of observing a large anomalous Hall effect. The identification of magnetic systems with negative or zero thermal expansion will also be considered given the interest of these materials for industry (optics, aerospace, etc.). The subject is by nature interdisciplinary since starting from the synthesis/elaboration of alloys, it goes to the characterizations of the finest physical properties (laboratory techniques and large instruments). The structural analysis will be carried out by X-ray diffraction especially at low temperature. Neutron powder diffraction will be used to determine the magnetic structures of the various materials (amplitude and orientation of magnetic moments remains an important objective).