Projet ANR-08-JCJC-0092 – RESPECT : Relations Structure-Propriétés et transitions structurales dans les ferroélectriques électroniques LuFe2O4 en fonction de la Pression et de la Température
Programme : Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs (JCJC) 2008
Année de financement : 2008
Coordinateur du projet : CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 159604.0 euros
Date de début : 2009
Durée : 36 mois
Résumé : Les matériaux qui sont simultanément ferroélectriques et ferromagnétiques intéressent de plus en plus la communauté scientifique. Un tel couplage entre les propriétés ferroélectriques et ferromagnétiques pourrait engendrer de nouvelles possibilités dans la conception de dispositifs de stockage de données. Malheureusement, le mécanisme gouvernant la ferroélectricité classique tel que dans PbTiO3, est incompatible avec l'existence d'un moment magnétique spontané. Le déplacement non-centrosymétrique des ions Ti dans PbTiO3, responsable de l'apparition de polarisation spontanée, est stabilisé énergétiquement par la formation de liaison covalente, dans laquelle un transfert de charges se produit des orbitales 2p remplies de l'oxygène vers les états d du métal de transition, lesquels doivent être vides pour que le mécanisme soit favorisé. A contrario, le magnétisme requiert des orbitales d en parti remplies au niveau des ions métalliques en question ; ce qui va détruire les fortes liaisons covalentes nécessaires pour l'existence de la ferroélectricité. Voilà pourquoi très peu de multiferroïques magnetoélectriques existent. Il est pourtant possible de dépasser une telle incompatibilité par un arrangement de charges et d'orbitales dans les manganites à structure pérovskite. Du point de vue de la ferroélectricité, cette configuration de charges a de nombreuses similitudes avec l'arrangement cohérent de dipôles électriques communément admis dans les ferroélectriques classiques tels que PbTiO3. Malheureusement, ces manganites multiferroïques à ordre de charge ne sont pas de bons candidats pour des applications technologiques ; le moment polaire est, en effet, très faible et l'ordre magnétique est essentiellement antiferromagnétique. De plus, les températures d'ordre magnétique et électrique sont très au dessous de la température ambiante. Récemment, un matériau ferroélectrique à valence mixte LuFe2O4 (avec une valence moyenne Fe2.5+) vient d'être découvert dont la température de Curie est égale à 330 K et dans lequel le moment polaire est associé à un arrangement de charges des ions Fe2+ et Fe3+. Dans ce matériau, la polarisation spontanée provient de la répulsion électronique entre électrons situés sur une géométrie frustrée. Par ailleurs, une réponse magnétoélectrique géante à température ambiante vient d'être reportée, ouvrant potentiellement la voie à une nouvelle génération de dispositifs multifonctionnels pour la microélectronique. LuFe2O4 a une structure lamellaire de symétrie hexagonale (groupe d'espace R3 m, a = 3.44 Å and c = 25.28 Å). Pour des températures inférieures à 330 K, une frustration de charges se produit associée à l'apparition de réflexions de surstructure; ce qui indique une transformation vers un arrangement de charges tridimensionnel. Le but de notre étude sera d'utiliser la pression associée à la température afin d'avoir une meilleure compréhension du comportement de ferroélectricité « électronique » de LuFe2O4. Le projet expérimental requiert l'utilisation de plusieurs techniques de caractérisation dans le but de renforcer la compréhension fondamentale des différents procédés électriques, structuraux et électroniques se produisant aux échelles nano-, micro- et macro-scopiques : 1) Diffraction des rayons X et des neutrons, 2) EXAFS, 3) spectroscopie Mössbauer et 4) mesures diélectriques et piézoélectriques. La complexité de ces matériaux rend essentielle l'utilisation d'une caractérisation multi-techniques. La force de ce projet est aussi liée à la complémentarité de trois jeunes chercheurs : de la synthèse du matériau (monocristalline), Denis Balitskiy, à la caractérisation sous hautes pressions, Jérôme Rouquette et à la mise en place d'une expérience de spectroscopie Mössbauer Pression-basse température unique en France, Laurent Aldon. Cette collaboration devrait conduire à un aperçu inédit dans la compréhension de ce nouveau type de matériau ferroélectrique. Dans la ferroélectricité classique, la pression di