Manipulation des propriétés magnétiques de matériaux à effet magnétocalorique géant par impact d’ions lourds

Axe 4 - Dimensionality and confinement

Thèse de Sophie CERVERA

Vendredi 29 septembre 2017 à 14h30
Salle 317 - couloir 22-23
Campus de Jussieu
75005 Paris

Laboratoires co-porteurs

• Institut des NanoSciences de Paris (INSP)
  Équipe : Clusters and Surfaces under Intense Excitations»,
  Directeur de thèse : Martino Trassinelli
• Institut des NanoSciences de Paris (INSP)
  Équipe : Growth and properties of hybrid thin film systems
  Co-encadrant : Mahmoud Eddrief

Mots clés

Effet magnétocalorique, interaction ion-matière, hystérésis thermique, couches minces

Projet de recherche

Ce travail de thèse est dédié à l'étude des effets induits, sur des matériaux à effet magnétocalorique géant, par impact d'ions lourds.

Ces matériaux présentent une transition de phase de premier ordre liée à une forte variation d'entropie ΔS) potentiellement exploitable pour le développement de système de réfrigération magnétique efficace. En contrepartie, la présence d'une hystérésis thermique et la faible gamme de température où ΔS est grand (caractéristiques intrinsèques à une transition de phase de premier ordre), limitent l'utilisation de ces matériaux.

Dans ce travail, nous avons exploité les effets spécifiques des ions lourds interagissant avec des solides pour modifier ces caractéristiques : à basse vitesse, ces ions pénètrent peu dans le matériau, engendrent du désordre et créent des défauts ponctuels.

Dans les couches minces d'arséniure de manganèse, possédant une transition de phase magnéto-structurale, nous avons montré que ces nouveaux défauts agissent comme des centres de nucléation en facilitant le passage d'une phase à l'autre durant la transition. L'hystérésis thermique a ainsi pu être supprimée pour la première fois, et de façon stable dans le temps. En faisant varier la masse et l'énergie cinétique des ions, nous avons pu dégager le rôle fondamental de la densité de collisions élastiques induites par ces irradiations et écarter la contribution des ions implantés.

Des couches minces de FeRh, un autre matériau à effet magnétocalorique géant présentant une transition de phase de type métamagnétique, ont également été étudiées. Dans ce cas, l'hystérésis n’est pas supprimée mais plutôt élargie par l'irradiation, ce qui souligne l'importance de la présence d’un changement de phase structurale dans le processus de suppression d'hystérésis. Par contre, dans ces couches minces, nos investigations révèlent un déplacement de la température de transition de phase que l'on peut faire varier de façon contrôlée en fonction du nombre d'ions par cm² impactant l'échantillon. Cet effet constitue une nouvelle méthode pour moduler spatialement, sur un même échantillon, la température à laquelle l'effet magnétocalorique est maximal. Cela permet de s'affranchir de l'étroite gamme de température utile de ce type de matériaux, autre paramètre critique pour des applications en réfrigération magnétique.

Publications

• S. Cervera, M Trassinelli, M Marangolo, C Carrétéro, V Garcia et al. 
  Modulating the phase transition temperature of giant magnetocaloric thin films by ion irradiation Voir la ressource 
  Physical Review Materials, American Physical Society, 2017, 1, pp.065402.
  DOI : 10.1103/PhysRevMaterials.1.065402
  Ref Hal : hal-01618401v1
• E.V. Gafton, G. Bulai, O.F. Caltun, S. Cervera, Stéphane Macé et al.
  Structural and magnetic properties of zinc ferrite thin films irradiated by 90keV neon ions
  Applied Surface Science, Elsevier, 2016, 379, pp.171-178.
  DOI : 10.1016/j.apsusc.2016.04.035
  Ref Hal : hal-01346282v1
• S Cervera, Martino Trassinelli, Massimiliano Marangolo, L Bernard Carlsson, Mahmoud Eddrief et al. 
  Hints on the origin of the thermal hysteresis suppression in giant magnetocaloric thin films irradiatied with highly charged ions
  Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2015, 635 (1), pp. 012028
  Doi : 10.1088/1742-6596/635/1/012028
  Ref Hal : hal-01227333
• S Cervera, Martino Trassinelli, Massimiliano Marangolo, L Bernard-Carlsson, Mahmoud Eddrief et al.
  Impacts of highly charged ions as seeds in a magneto-structural phase transition of magnetocaloric thin films
  Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 2015, 635 (3), pp.032021.
  DOI : 10.1088/1742-6596/635/3/032021
  Ref Hal : hal-01265737v1 
• Martino Trassinelli, L Bernard Carlsson, S Cervera, M Eddrief, V Etgens et al. 
  Low energy Ne ion beam induced-modifications of magnetic properties in MnAs thin films
  Journal of Physics: Condensed Matter, IOP Publishing, 2016, 29 pp.055001
  DOI : 10.1088/1361-648X/29/5/055001
  Ref Hal : hal-01390149v1

Colloques et interventions

Poster presentation :

• M. Trassinelli et.al, Properties’ modifications of giant magnetocaloric thin films with highly charged ions, 9th International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter (SHIM-2015), 18-21 May 2015, Darmstadt, Germany, accepted     
• S. Cervera et.al, Towards the understanding of mechanisms responsible of the thermal hysteresis suppression by highly charged ions collisions in thin films, 21th International Workshop on Inelastic Ion-Surface Collisions (IISC2015), 18-23 October 2015, Donostia-San Sebastián, Spain, submitted Selected     
• S. Cervera,et al., Modification des propriétés des couches minces de matériaux à effet magnétocaloriques géant par irradiation d’ions lourds in 18ème Colloque Louis Néel. 2017. Paris, France, Poster      
• M. Trassinelli et al., Caractérisation à l’échelle sub-micrométrique des modifications induites par impact d’ions lourds dans les matériaux à effet magnétocalorique géant. in 18ème Colloque Louis Néel. 2017. Paris, France, Poster      
• M. Lo Bue et al., Modification of the Thermal Hysteresis in Magnetocaloric Materials by Highly Charged Ion Bombardment. in7th International Conference on Magnetic Refrigeration at Room Temperature. 2016. Torino, Italy, Poster 

Oral presentation :

• S. Cervera et.al, Impacts of highly charged ions as seeds in a magneto-structural phase transition of magnetocaloric thin films, 29th International Conference on Photonic, Electronic and atomic Collisions (ICPEAC 2015), 22-28 July 2015, Toledo, Spain, accepted     
• M. Trassinelli et al., Optimisation of giant magnetocaloric materials with ion irradiation. in 10th International Symposium on Swift Heavy Ions in Matter & 28th International Conference on Atomic Collisions in Solids. 2018. Caen, France, Selected talk      
• M. Trassinelli et al., Highly charged ions impact, a promising route to exploit the refrigeration power of giant magnetocaloric thin film. In Mate Workshop. 2018. Paris, France, invited talk
• M. Trassinelli et al., Highly charged ions impact, a promising route to exploit the refrigeration power of giant magnetocaloric thin films. in NanoAndes Workshop. 2017. Buenos Aires, Argentina, Invited talk     
• M. Trassinelli et al., HCI collisions to suppress the thermal hysteresis in magnetocaloric thin films. in 18th International Conference on the Physics of Highly Charged Ions. 2016. Kielce, Poland, Selected talk     
• S. Cervera et al., Les mécanismes responsables de la suppression de l’hystérésis thermique des matériaux magnétocaloriques par implantation d’ions multichargés. in Colloque Louis Néel. 2016. Saint-Dié-des-Vosges, France, Selected talk   
• M. Marangolo et al., Modification of theThermal Hysteresis in Magnetocaloric Materials by Highly Charged Ion Bombardment. in Joint European Magnetic Symposia. 2016. Glascow, United Kingdom, Selected talk   
• M. Trassinelli et al., Suppression of the Thermal Hysteresis in Magnetocaloric Materials by Highly Charged Ion Bombardment. in MMM Intermag 2016 Joint Conference. 2016. San Diego, United States, Selected talk   
• M. Trassinelli et al., Highly charged ions impact, a promising route to exploit the refrigeration power of giant magnetocaloric thin films. in Journees annuelles de la SF2M. 2015. Paris, France, Invited talk