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Magnétoélectricité dans les nanocomposites granulaires : analyse micro-onde

V. Castel, Lab-STICC, Brest


Le fait saillant de ce travail a été de mettre en évidence un couplage magnétoélectrique (ME) dans des nanocomposites (NCs) granulaires biphasiques dans le domaine micro-onde à température ambiante. L’usage de la résonance ferromagnétique (RFM-LMB) sur une large gamme de fréquences (6-28 GHz) et de spectroscopie micro-onde (100 MHz-6 GHz) combiné à une étude du transport électronique et à l’utilisation de plusieurs sondes morphologiques nous a permis de corréler les propriétés dynamiques de l’aimantation, les paramètres électromagnétiques des matériaux, et les informations microstructurales au coefficient ME. Les nanostructures granulaires présentent de nombreux avantages par rapport aux céramiques, aux couches minces et aux matériaux monophasés. La faible conductivité, l’absence d’interdiffusion et de réactions chimiques parasites dues au frittage, l’absence de substrat, la conservation de l’échelle nanométrique, la facilité et le faible coût du protocole d’élaboration de ces NCs en font des matériaux de choix pour la réalisation d’un effet ME en vue de proposer des dispositifs hyperfréquences originaux. La réalisation d’un tel effet a été rendue possible par une étude des propriétés magnétiques et électromagnétiques de NCs à base de nanoparticules présentant des caractéristiques physico-chimiques et morphologiques différentes. Par le biais de cette étude, nous avons identifié les paramètres régissant les interactions intergranulaires au sein des NCs. Dans les systèmes biphasés, la principale contribution à l’effet ME est le couplage à l’interface entre les phases mises en jeu. Ce couplage est exacerbé dans les nanostructures, en raison de l’augmentation significative du rapport surface à volume. Pour optimiser le transfert des contraintes entre les nanoparticules et/ou les agrégats de Ni et de BaTiO3, le protocole initial d’élaboration de NCs a été considérablement modifié. Un protocole original de fabrication de NCs Ni/BaTiO3 ME par pressage uniaxial à température ambiante a fait ainsi l’objet d’un dépôt de brevet.

 

Nous avons montré expérimentalement que l’augmentation des parties réelle et imaginaire de la permittivité ε d’une série de NCs granulaires du type Ni/BaTiO3 est d’environ 10% à 2 kOe et 300% à 6 kOe respectivement. La dépendance en champ magnétique du coefficient du couplage est compatible avec un effet ME qui peut être interprété par un couplage élastique entre les phases piézoélectrique et magnétostrictive. La dépendance de ea en fonction de la fraction volumique de Ni comparée à la réponse dynamique par RFM a permis de mettre en évidence une corrélation explicite soulignant le caractère local du couplage ME dans ces matériaux. Nous avons identifié une pression de compactage pour laquelle la dépendance de la permittivité sous l’action d’un champ magnétique est optimale à une fraction volumique de Ni donnée. Malgré la présence d’une porosité résiduelle élevée dans ces NCs, l’effet ME existe, ce qui suggère que les mécanismes de couplage dans ce type de nanostructures sont différents de ceux qui agissent dans des structures denses du type empilement de couches.

 

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