Exploration du diagramme de phase Fe-Ni-Cr-O en couches minces : de l'analyse microscopique à l'analyse macroscopique
Exploration of the Fe-Ni-Cr-O phase diagram in thin films : from microscopic to macroscopic analysis
Résumé
Iron-nickel-chromium oxides, in the structure spinel or halite, are an important part of the Fe-Ni-Cr-O quaternary system. They are present in the corrosion layers of stainless steels as well as in spintronic devices. The aim of this thesis is to link microscopic observations such as the occupation of cationic sites in the spinel structure to macroscopic quantities such as magnetic properties. To this end, epitaxial model thin films will be synthesized. The use of theoretical models has enabled fine interpretation of experimental measurements. The first part of the thesis is dedicated to the halite structure and to the modeling of antiferromagnetic domain wall phenomena in nickel oxide (NiO). The simulations were performed using atomistic spin dynamics (ASD). These simulations allow to obtain the atomic-scale organization of the walls, and macroscopic properties such as wall width and stray field. Our simulations show a dependence of the wall width on the inverse of the square root of the anisotropy constant, enabling the simulations to be extrapolated and compared with experiment. These comparisons enable experimental measurements to be reinterpreted. The second part of this thesis is dedicated to the study of oxides with spinel structure, composed of iron, nickel and chromium. The aim is to link fine structure, i.e. cationic order in interstitial sites of the crystallographic structure, to macroscopic properties such as lattice parameter or magnetic behavior. Spinel FeαNiᵦCrγO₄ thin films were synthesized by atomic oxygen plasma-assisted molecular beam epitaxy (AO-MBE). An in-depth study of the structural, chemical and magnetic properties of the samples was carried out. Advanced techniques such as X-ray absorption, circular magnetic dichroism and resonant diffraction, combined with multiplet calculations, have made it possible to extract the oxidation state and crystal field environment of the various cations. The results show (i) that chromium is exclusively in the octahedral position(Oh), oxidation state III, (ii) that nickel is also mainly in the Oh position, oxidation state II, with the exception of the more enriched chromium samples, in which some Ni²⁺ in the tetrahedral site (Td) was observed, and (iii) that iron cations are in both oxidation states II and III, in the Oh and Td sites. This cationic distribution was used in a model to derive the theoretical lattice parameter and angles between cationic sites. These calculations are then compared with the magnetic parameters. The samples with the lowest magnetic parameters are also those with the angles between cationic sites furthest from the angles favoring magnetic exchange.
Les oxydes de fer, nickel et chrome, avec la structure spinelle ou halite, représentent une part importante du système quaternaire Fe-Ni-Cr-O. Ils sont aussi bien présents dans les couches de corrosion des aciers inoxydables que dans des dispositifs de la spintronique. L'objectif de cette thèse est de relier des observations microscopiques comme l'occupation des sites cationiques de la structure spinelle à des grandeurs macroscopiques comme les propriétés magnétiques. Pour cela, des couches minces « modèles » épitaxiées seront synthétisées. Des outils de modélisation de spectres ont permis l'interprétation fine des mesures expérimentales. La première partie de la thèse est dédié à la structure halite et à la modélisation des phénomènes de paroi de domaine antiferromagnétiques dans l'oxyde de nickel (NiO). Les calculs ont été accomplis à l'aide de la dynamique atomistique de spins (ASD). Ces calculs montrent l'organisation à l'échelle atomique des parois, et les propriétés macroscopiques comme l'épaisseur de paroi et le champ de fuite ont été obtenues. Nos calculs montrent une dépendance de la longueur de paroi avec l'inverse de la racine carrée de la constante d'anisotropie, ce qui permet d'extrapoler les simulations et de les comparer à des mesures expérimentales. Ces comparaisons ont permis une réinterprétation de celles-ci. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à l'étude des oxydes de structure spinelle, à base de fer, nickel et chrome. L'objectif est de relier la structure fine, c'est-à-dire l'ordre cationique dans les sites interstitiels de la structure cristallographique aux propriétés macroscopiques comme le paramètre de maille ou le comportement magnétique. Pour cela, des films minces cristallins de type FeαNiᵦCrγO₄ ont été synthétisés par épitaxie à jet moléculaire assistée par un plasma d'oxygène atomique. Une étude approfondie des propriétés structurales, chimiques et magnétiques des échantillons a été effectuée. L'utilisation de techniques avancées, comme l'absorption X, le dichroïsme magnétique circulaire ou la diffraction résonnante, associées à des calculs de multiplets, a permis d'extraire le degré d'oxydation et l'environnement de champ cristallin des différents cations. Les résultats montrent (i) que le chrome est exclusivement en position octaédrique (Oh), au degré d'oxydation III, (ii) que le nickel est aussi principalement en position Oh, au degré d'oxydation II, à l'exception des échantillons les plus riches en chrome, dans lesquels on observe des cations Ni²⁺ en site tétraédrique (Td) et (iii) que les cations de fer sont à la fois au degré d'oxydation II et III, dans les sites Oh et Td. Cette répartition cationique a été utilisée dans un modèle permettant de connaître le paramètre de maille théorique et les angles entre les sites cationiques. Ces calculs ont été comparés avec les paramètres magnétiques (champ coercitif, aimantation, etc…). Les échantillons possédant les moins bonnes propriétés magnétiques sont aussi ceux ayant les angles entre sites cationiques les plus éloignés des angles favorisant les interactions d'échange magnétique.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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