Interface modèles pour le design d'aimants permanents Nd-Fe-B

Model interfaces for redesign of Nd-Fe-B magnets

• Auteur / Autrice : Abhirami Suresh
• Direction : Vincent Fournee, Julian Ledieu
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 04/11/2024
• 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 2 - CP2S : Chimie et Physique des Solides et des Surfaces

Mots clés

Mots clés libres

Aimants Nd-Fe-B

Ingénierie des joints de grains

Interfaces modèles

Nd-Fe-B magnets

Grain boundary engineering

Model interfaces

Résumé

Le programme de doctorat se concentrera sur les aspects les plus fondamentaux du projet GREENE en créant des interfaces modèles à partir desquelles les mécanismes physiques de base en jeu pourront probablement être mieux compris. Une phase de joint de grain optimisée de l'aimant Nd2Fe14B sera suggérée sur la base d'une approche de thermodynamique computationnelle pour la prédiction des propriétés intrinsèques (aimantation à saturation - Ms, température de Curie - TC, constante d'anisotropie - K1 et/ou champ d'anisotropie - Ha) pour obtenir l'anisotropie magnétocristalline la plus élevée possible et la TC la plus élevée avec les éléments d'alliage. La preuve de concept d'un nouvel aimant permanent Nd-Fe-B avec un nouveau joint de grain sera testée sur des interfaces modèles. Dans ce but, la croissance de monocristaux de haute qualité sera réalisée, soit par auto-flux, soit par des méthodes de Czochralski, avec des dimensions de quelques mm3. D'éventuelles améliorations dans la taille des échantillons seront testées à l'aide de méthodes alternatives telles que la méthode sans creuset à zone flottante. Les cristaux seront extraits et alignés à l'aide de la diffraction des rayons X de Laue arrière. Les surfaces à faible indice (001) et (100) des monocristaux seront examinées dans des conditions de vide ultra-élevé jusqu'au niveau atomique. Cela constitue un défi car, malgré l'importance technologique de la phase tétragonale Nd2Fe14B, la littérature sur la science de surface de ce matériau est très limitée. La première étape consistera à optimiser les conditions de préparation de surface pour obtenir une morphologie de surface en terrasse et en gradins atomiquement plate. Les surfaces seront caractérisées par des méthodes telles que la diffraction électronique à basse énergie (LEED), la microscopie à effet tunnel (STM) et la spectroscopie de photoémission de rayons X (XPS). Ensuite, une interface modèle sera créée en faisant croître un film ultra-mince du matériau d'interface spécifique sur le substrat Nd2Fe14B nu. Le mode de croissance initial du film ainsi que sa structure et sa chimie seront déterminés à la surface pour diverses conditions. Une analyse d'interface (observation transversale) apportera des informations cruciales sur la distribution chimique et les phases possibles formées en fonction des paramètres de croissance et du post-traitement. Les propriétés magnétiques résultantes seront étudiées à différentes échelles de longueur en utilisant différentes techniques, en collaboration avec d'autres institutions partenaires. Une compréhension détaillée d'un tel système modèle sera cruciale pour mettre en œuvre la stratégie globale des aimants permanents Nd-Fe-B monograins repensés à l'échelle industrielle.

The PhD program will focus on the most fundamental aspects of the project GREENE by creating model interfaces from which the basic physical mechanisms at play can probably be better understood. An optimized grain boundary phase of the Nd2Fe14B magnet will be suggested based on a computational thermodynamics approach for the prediction of intrinsic properties (saturation magnetization - Ms, Curie temperature - TC, anisotropy constant - K1 and/or anisotropy field - Ha) to obtain the highest possible magnetocrystalline anisotropy and highest TC with alloying elements. The proof-of-concept of a novel Nd-Fe-B permanent magnet with a new grain boundary will be tested on model interfaces. For this purpose, the growth of high-quality single crystals will be carried out, either by self-flux or by Czochralski methods, with dimensions of a few mm3. Possible improvements in the sample sizes will be tested using alternative methods such as the floating zone crucible-free method. Crystals will be extracted and aligned using back-Laue X-ray diffraction. The low index (001) and (100) surfaces of single crystals will be examined under ultra-high vacuum conditions down to the atomic level. This is challenging as, despite the technological importance of the Nd2Fe14B tetragonal phase, the literature on the surface science of this material is very limited. The first step will consist of the optimization of the surface preparation conditions to obtain atomically flat terrace and step surface morphology. The surfaces will be characterized by methods such as low-energy electron diffraction (LEED), scanning tunnelling microscopy (STM) and x-ray photoemission spectroscopy (XPS). Then a model interface will be created by growing an ultra-thin film of the specific interfacial material on top of the bare Nd2Fe14B substrate. The initial growth mode of the film along with its structure and chemistry will be determined at the surface for various conditions. An interface analysis (cross-sectional observation) will bring crucial information on the chemical distribution and possible phases formed as a function of the growth parameters and post-treatment. The resulting magnetic properties will be investigated at various length scales using different techniques, in collaboration with other partner institutions. A detailed understanding of such a model system will be crucial to implementing the global strategy of Single-Grain Re-Engineered Nd-Fe-B Permanent Magnets at the industrial scale.