Anisotropies et couplages magnétiques de ferrofluides texturables : développements instrumentaux et modélisation pour des mesures de spectroscopie magnétique des rayons X (XMCD)

Axe 4 - Dimensionnalité et confinement

Thèse de Nieli DAFFE

Mardi 22 novembre 2016 à 13h30
Amphithéâtre Durand - Espace Esclangon
Université Pierre et Marie Curie
4 place Jussieu 75005 Paris

Laboratoires co-porteurs

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC)
Porteur de projet : Philippe Sainctavit
Co-encadrant : Marie-Anne Arrio
Synchrotron SOLEIL
Co-encadrants : Philippe Ohresser, Fadi Choueikani
Physicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes interfaciaux (PHENIX)
Co-encadrants : Vincent Dupuis, Sophie Neveu

Résumé

Les ferrofluides sont des suspensions colloïdales de nanoparticules magnétiques dispersées dans un liquide porteur. La possibilité de moduler les propriétés des ferrofluides in situ en appliquant un champ magnétique externe leur procure un fort potentiel d’étude, à la fois d’un point de vue fondamental ou pour des applications industrielles variées. En particulier, les nanospinels de ferrite ferrimagnétiques MFe₂O₄ (M = Fe²⁺, Co²⁺, Mn²⁺…) sont largement étudiés pour leurs propriétés électriques et magnétiques. Plus spécifiquement, une forte énergie d’anisotropie de ces matériaux à l’échelle nanométrique est requise pour des applications dans le stockage de l’information ou l’hyperthermie pour lesquels ils sont considérés. Une connaissance fine des mécanismes régissant ces propriétés d’anisotropies magnétiques est ainsi primordiale pour la création de nouveaux objets aux propriétés magnétiques contrôlées à l’échelle nanométrique.

L’originalité de notre approche consiste à utiliser une technique fine du magnétisme, le dichroïsme magnétique circulaire des rayons X (XMCD) à l’étude des anisotropies et couplages magnétiques des nanospinels composants les ferrofluides. Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à différentes stratégies possibles pour induire une forte énergie d’anisotropie aux nanospinels de ferrite par l’utilisation de cobalt. Des nanoparticules de tailles et compositions variées ont été obtenues par différentes voies de synthèse, et nous démontrons que l’anisotropie magnétique de ces systèmes est fortement gouvernée par la symétrie de site du Co²⁺ en structure spinel qui peut être directement corrélé au processus de synthèse utilisé.

Nous nous sommes aussi intéressés à l’ordre et au couplage magnétique de ferrite spinels structurés en coeur-coquille, dont le coeur et la coquille sont réalisés à partir de matériaux aux propriétés magnétiques intrinsèques différentes. Nous montrons ainsi que pour des nanospinels MnFe₂O₄@CoFe₂O_⁴, la très fine coquille formée de CoFe₂O₄ impose une forte anisotropie magnétique au coeur doux de MnFe₂O₄.

Enfin, nous nous sommes intéressés à une troisième classe de ferrofluide à base de nanospinels, les ferrofluides binaires, constitué d’un mélange physique de ferrofluides aux propriétés magnétiques intrinsèques différentes. Pour de tels systèmes, il est essentiel de préserver le liquide porteur du ferrofluide pour ne pas dénaturer les interactions entre particules existantes.

L’un des objectifs de cette thèse fut donc d’étendre la technique du XMCD à l’étude d’échantillons de ferrofluides in situ, dans leur phase liquide ou gelée. Nous avons débuté la conception d’une cellule liquide compatible avec les rayons X mous et un environnement ultra-vide sur la ligne de lumière DEIMOS (SOLEIL) qui est toujours en développement. Une alternative valable utilisant les rayons X durs, consiste à coupler une technique de photon-in/photon-out au XMCD (1s2p RIXS-MCD). Le développement d’une cellule liquide compatible avec l’environnement des mesures 1s2p RIXS-MCD nous a permis de réaliser les mesures directement dans les ferrofluides, révélant des couplages magnétiques interparticulaires dans les ferrofluides binaires.

Figure 1- Photographie d’un ferrofluide soumis à un aimant permanent en forme d’anneau (à gauche), micrographie réalisée en Cryo-TEM d’une organisation spontanée de nanoparticules dans un ferrofluide.

Publications

Yoann Prado, Nielie Daffe, Aude Michel, Thomas Georgelin, Nader Yaacoub et al.
Enhancing the magnetic anisotropy of maghemite nanoparticles via the surface coordination of molecular complexes
Nature Communications, Nature Publishing Group, 2015, 6, pp.10139.
DOI : 10.1038/ncomms10139
Ref Hal : hal-01390543v1