Equipe Composés Intermétalliques et Matériaux Hybrides

Diagramme de phase magnétique (x, T) du système YbMn6Ge6-xSnx pour 4 ≤ x ≤ 6 et T ≤ 350 K

Diagramme de phase magnétique (x, T) du système YbMn₆Ge_6-xSn_x pour 4 ≤ x ≤ 6 et T ≤ 350 K

Photo d’un monocristal hexagonal de YbMn6Ge2Sn4 par microscopie électronique à balayage

Photo d’un monocristal hexagonal de YbMn₆Ge₂Sn₄ par microscopie électronique à balayage

Cliché de diffraction d’un monocristal de K2FeII(C2O4).2H2O

Cliché de diffraction d’un monocristal de K₂Fe^II(C₂O₄).2H₂O

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Présentation

L’équipe Composés Intermétalliques et Matériaux Hybrides étudie la cristallochimie et les propriétés de deux familles de solide à l’état massif : les intermétalliques et les hybrides de type MOFs (Metal Organic Frameworks).

Les intermétalliques étudiés associent des éléments métalliques à des métalloïdes et peuvent contenir jusqu’à deux éléments magnétogènes (un métal de la 1ère série de transition et/ou un lanthanide). Ils sont le siège de phénomènes physiques intéressants du point de vue fondamental (criticité quantique, valence intermédiaire, magnétisme frustré, etc.) et appliqué (matériaux magnétocaloriques, aimants permanents, capteurs, etc.).

Les travaux sur les matériaux hybrides concernent des solides cristallins où les entités minérales de basse dimensionnalité (feuillets, chaînes, etc.) sont liées entre elles par des molécules organiques à groupements dicarboxylates. Les MOFs étudiés contiennent au moins un cation magnétique (3d ou 4f). Nos travaux visent notamment à élaborer des systèmes multifonctionnels où les propriétés magnétiques entrent en synergie avec d’autres propriétés physiques comme, par exemple, dans les systèmes à propriétés magnéto-optiques.

Ces deux familles de matériaux, très différentes du point de vue cristallochimique, nécessitent des moyens de synthèse variés allant de la chimie douce pour les hybrides à la métallurgie haute-température pour les intermétalliques. Elles sont cependant étudiées avec des outils communs, en particulier : la diffraction des rayons X et des neutrons, la spectrométrie Mössbauer, les mesures magnétiques (AC et DC) et les mesures de chaleur spécifique.

L'équipe développe des thématiques transverses à ces deux familles, à savoir, actuellement : criticité quantique, effet magnétocalorique et magnétisme frustré.

Ces matériaux sont étudiés en collaboration avec d’autres équipes du laboratoire : Surfaces et Spectroscopies ; Matériaux à Propriétés Thermoélectriques et à travers des projets nationaux et internationaux.

Une partie des travaux est effectuée sur grands instruments :

Diffraction des neutrons sur poudre à l’Institut Laue Langevin
Diffraction des neutrons sur monocristal au Paul Scherrer Institut
XANES et XMCD sous pression et diffraction des rayons X au Synchrotron SOLEIL

Mots-clés

Intermétalliques

MOFs

Magnétisme

Criticité quantique

Effet magnétocalorique

Thématiques de recherche

Criticité quantique

Lorsqu’une transition de phase du second-ordre est amenée au zéro absolu à l’aide d’un paramètre de contrôle (pression externe, composition chimique ou champ magnétique), le point singulier séparant les deux états fondamentaux est appelé point critique quantique.

La criticité quantique est étudiée au sein de diverses familles de matériaux dont notamment les supraconducteurs haute-température, les aimants quantiques ou les systèmes à fermions lourds. Elle peut également se manifester dans les MOFs, notamment sous champ magnétique dans les systèmes à entités magnétiques de basse dimensionnalité.

Au-delà de l’intérêt fondamental de ces travaux, la criticité quantique est considérée comme sous-jacente à la supraconductivité non conventionnelle et elle pourrait jouer un rôle dans le traitement quantique de l’information.

Projet :

Projet CNRS France/Taïwan 2019-2022

Thèse :

Pauline HARAUX, 2018-2021 (contrat doctoral ministériel)

Article :

Possible room-temperature signatures of unconventional 4f-electron quantum criticality in YbMn6Ge6−xSnx, PRB Rapid Communications 2020, 101, 020408(R)
Eichenberger et al.

Effet magnétocalorique

L’effet magnétocalorique correspond à la variation de température ou d’entropie d’un solide soumis à un champ magnétique variable.

Cet effet est employé depuis plusieurs décennies pour la réfrigération à très basses températures (< 1 K). Elle devrait se développer considérablement lors de ces prochaines années notamment en raison de la pénurie d’hélium à venir. Cela peut concerner des systèmes paramagnétiques standards ou des matériaux à point critique quantique au voisinage duquel l’effet magnétocalorique est exalté.

Ces vingt dernières années, un important effort de recherche est mené au niveau international afin d’exploiter cet effet dans des applications de réfrigération au voisinage de l’ambiante. Plus récemment, des travaux ont été initiés pour tirer profit de l’effet magnétocalorique dans des applications fonctionnant à plus haute température comme les pompes à chaleur ou la conversion de chaleur de bas niveau (fatale, géothermique …) par effet thermomagnétique.

Projet :

CEA Tech 2015-2018

Article :

A Metal-Organic Framework as attractive cryogenic magnetorefrigerant, Chem. Eur. J. 2012, 18, 12970, Sibille et al.

Frustration magnétique

Le magnétisme frustré apparaît dans des réseaux de spins avec des géométries particulières, souvent à la base de motifs triangulaires, lorsque le système ne peut minimiser simultanément toutes les énergies d’interaction magnétiques individuelles. La compétition entre les différentes interactions magnétiques du système peut éventuellement stabiliser des états fondamentaux exotiques.

C’est une thématique que nous avons abordée depuis peu sur les intermétalliques en collaboration avec des chercheurs du Paul Scherrer Institut (Villigen, Suisse) spécialistes du sujet. Nous développons cette thématique car certaines des familles d’intermétalliques étudiées par l’équipe depuis plusieurs décennies recèlent des arrangements atomiques propices à la frustration (plans Kagomé). Cette thématique peut aussi être étendue aux MOFs.

Projet :

PHC Germaine de Staël France/Suisse 2017-2018

Savoir-faire

Elaboration

Préparation ‘haute température’ de matériaux inorganiques poly- ou monocristallins :

Travail préparatoire en boîte à gants
Recuits dans des ampoules sous atmosphère contrôlée
Four à induction
Four à arc
Méthodes de flux

Synthèse de MOFs par chimie douce :

Méthodes hydro/solvo-thermales
Dispositif combinant pompes péristaltiques et chambre anaérobique humide

Caractérisation

Expériences de diffusion sur des machines de laboratoire (diffraction des rayons X sur poudre ou monocristal en collaboration avec le Centre de compétence X-Gamma)
Expériences sur grands instruments (diffractions des rayons X, diffraction des neutrons, XANES, XMCD).
Mesures magnétiques AC/DC, mesures de résistance et de chaleur spécifique (PPMS, VSM) en collaboration avec le Centre de compétence magnétisme et cryogénie.
Spectroscopie Mössbauer en collaboration avec le Centre de compétence X-Gamma.
Expériences sous haute pression (XANES, XMCD, diffraction des neutrons).