3.4 Propriétés magnétiques
3.4.5 Diagrammes de phases magnétiques
µB ) T (K ) PrC o3FeG a
Figure 3.13. Evolution thermique du moment magnétique de Pr dans le composé PrCo3FeGa (2-250 K).
En conclusion, nous avons analysé les effets de la substitution du fer au cobalt sur les propriétés magnétiques des composés PrCo4-xFexAl et PrCo4-xFexGa. Un renforcement de leurs caractéristiques magnétiques (TC et MS) a été observé lors de la substitution. Les températures de réorientation de spin (TRS) augmentent avec la concentration en fer.
3.4.5 Diagrammes de phases magnétiques
La combinaison de toutes les mesures magnétiques effectuées nous permet de déterminer les diagrammes de phases magnétiques des composés PrCo4-xFexM (x = 0 ; 0,5 ;
1 ; 1,5). La figure 3.14 résume donc les propriétés magnétiques majeures de ces composés en schématisant leurs diagrammes de phases magnétiques. Pour les deux séries des composés étudiées, l’aimantation est orientée dans le plan de base (a,b) à basse température puis pivote à TRS vers l’axe c de la structure hexagonale CaCu5. L’alignement uniaxial des moments magnétiques disparaît à la température de Curie, en même temps que l’ordre ferromagnétique. La série à base de gallium est caractérisée par une température de réorientation de spin inférieure à celle de la série à base d’aluminium. Les températures de Curie des deux séries de composés sont cependant très proches.
0,0 0,5 1,0 1,5 0 100 200 300 400 500 600 T em p éra tu re (K)
x, teneur en fer (atome/f.u.) plan (a,b) axe c T C TRS PrCo4-xFexAl paramagnétique 0,0 0,5 1,0 1,5 0 100 200 300 400 500 600 Te m p ér atur e ( K )
x, teneur en fer (atome/f.u.) plan (a,b) axe c paramagnétique T C T RS PrCo 4-xFe xGa
Figure 3.14. Diagrammes de phases magnétiques des composés PrCo4-xFexAl et PrCo 4-xFexGa.
En conclusion, les effets de la substitution du fer au cobalt sur les propriétés magnétiques sont comparables pour les deux séries de composés étudiées. Les différences reliées à la nature de l’élément p sont faibles.
3.5 Conclusions
Cette étude a permis d’établir le domaine de stabilité des composés PrCo4-xFexAl et PrCo4-xFexGa, ainsi que le schéma de substitution du fer et les diagrammes de phases magnétiques de ces composés. Quelques rappels préliminaires ont fixé le contexte de notre étude, abordant la substitution du fer au cobalt dans les composés R(Co,Fe)5. Il est possible de substituer du fer au cobalt dans les composés RCo5, mais la quantité maximale du fer est très faible (x ≤ 1) et dépend de la nature de l’élément R. Afin d’interpréter cela, nous avons invoqué des considérations énergétiques et structurales.
• Pour mener à bien notre étude concernant le domaine de stabilité des phases PrCo4-xFexM, nous avons utilisé les techniques de diffraction des rayons X et de la microscopie électronique à balayage. Nos résultats indiquent que la limite de solubilité du fer dans PrCo4-xFexAl et PrCo4-xFexGa est de x < 2 dans nos conditions de synthèse et de traitement thermique. La limite de solubilité du fer dans les phases pseudo-binaire RCo4B et RCo4M est toujours supérieure à celle observée dans les composés RCo5. En conclusion, la présence des éléments p, tels que le bore, l’aluminium et le gallium, augmente le domaine de stabilité des phases pseudo-binaires RCo4M par rapport à celui des composés binaires RCo5. Signalons que le bore favorise un plus large domaine de stabilité que l’aluminium ou le gallium. Après la détermination de la limite de solubilité du fer, notre étude s’est focalisée sur les composés monophasés avec x = 0 ; 0,5 ; 1 ; 1,5.
• Les paramètres structuraux (a et c) de ces composés augmentent lors de la substitution du fer au cobalt, bien que le rapport c/a diminue indiquant une expansion du volume de la maille dans le plan de base (a,b).
• Grâce aux expériences de diffraction des neutrons, nous avons pu déterminer le schéma de substitution du fer dans la structure RCo5. Les atomes d’aluminium et de gallium occupent le site 3g, comme le démontrent nos mesures de diffraction des neutrons antérieures concernant les phases RCo4M (chapitre 2). Les atomes de fer ont été localisés dans les deux sites de cobalt disponibles, 2c et 3g. L’occupation du site 3g par les atomes de fer semble être favorisée. Cette préférence a été expliquée par des considérations stériques : les atomes de fer, ayant un rayon métallique supérieur à celui du cobalt, occupent préférentiellement le site cristallographique disposant du plus grand volume.
• La substitution du fer au cobalt a des effets significatifs sur les propriétés magnétiques de ces composés ferromagnétiques. La présence du fer induit un renforcement des caractéristiques magnétiques macroscopiques. La température de Curie et l’aimantation à saturation subissent une augmentation spectaculaire lors de la substitution du fer au cobalt. Afin d’expliquer cela, le modèle de bande rigide a été invoqué. Ainsi, nous avons eu recours à la courbe expérimentale de Slater-Pauling.
Les expériences de diffraction des neutrons ont permis la détermination des amplitudes et des directions des moments magnétiques de Co et de Pr à différentes températures. Il apparaît que le moment magnétique de Pr n’est pas influencé par la présence du fer et
présente des amplitudes comparables dans tous les composés. De plus, il diminue rapidement en fonction de la température, contrairement aux moments magnétiques de Co et de Fe qui restent quasi-constants jusqu’à 300 K. L’amplitude du moment magnétique atomique de Fe est toujours supérieure à celle de Co, confirmant ainsi, au niveau microscopique, l’augmentation de l’aimantation observée au niveau macroscopique. Ces mesures suggèrent l’existence de transitions de réorientation de spin dans tous les composés étudiés.
• La substitution du fer au cobalt induit aussi des effets remarquables sur l’anisotropie magnétocristalline. Des transitions de réorientation de spin ont été observées grâce aux mesures thermomagnétiques et de susceptibilité en courant continu, quelle que soit la teneur en fer (x < 2). L’origine de ces transitions magnétiques est la compétition entre la contribution axiale à l’anisotropie magnétocristalline du réseau de cobalt et celle planaire du sous-réseau de praséodyme. Une augmentation de la température de réorientation de spin est mise en évidence lors de la substitution du fer au cobalt. D’une part, la contribution axiale à l’anisotropie due au sous-réseau 3d diminue lors de la substitution. D’autre part, conformément aux conclusions obtenues par Thang [THA96], la contribution planaire du sous-réseau de praséodyme augmente lors de la substitution. Ces deux effets conjugués conduisent à l’augmentation de la température de réorientation de spin avec la concentration du fer.
• Le composé PrCo3FeGa a fait l’objet d’une étude par thermodiffraction des neutrons, dans l’intervalle de 2-300 K, puisqu’il présente une réorientation de spin juste en dessous de la température ambiante. Lors de nos affinements de Rietveld des diagrammes de diffraction neutronique, aucun effet magnétoélastique du premier ordre n’accompagne la réorientation de spin, contrairement à ce que nous avions observé dans les phases PrCo4M (chapitre 2).
• Afin de résumer les propriétés magnétiques étudiées lors de ce chapitre, nous avons proposé les diagrammes de phases magnétiques de PrCo4-xFexAl et PrCo4-xFexGa (x < 2). Toutes ces phases présentent une orientation de l’aimantation dans le plan de base à basse température et une réorientation de la direction de facile aimantation autour de la TRS. En dessus de cette température, l’aimantation est alignée selon l’axe c de la structure CaCu5
Bibliographie
[ALA85] J.M. Alameda, D. Givord, C. Jeandey, H.S. Li, Q. Lu et J.L. Oddou, J. Physique, 46 (1985) 1581.
[BUS77] K.H.J. Buschow, Rep. Prog. Phys., 40 (1977) 1179. [CHA00] C. Chacon, Thèse, Université de Grenoble, 2000. [CHA01] C. Chacon et O. Isnard, J. Appl. Phys., 89 (2001) 71. [CHE83] G.V. Chernyak, Inorg. Mater., 19 (1983) 436.
[ELE74] J.B.A.A. Elemans et K.H.J. Buschow, Phys. Stat. Sol (a), 24 (1974) 393.
[ELE75] J.B.A.A. Elemans, K.H.J. Buschow, H.W. Zandbergen et J.P. de Jong, Phys. Stat. Sol (a), 29 (1975) 595.
[FRA88] J.J.M. Franse, N.P. Thuy et N.M. Hong, J. Magn. Magn. Mater., 72 (1988) 361. [FRI69] J. Fiedel, « The Physics of Metals », Cambridge University Press, Cambridge, 1969. [JIA86] S.Y. Jiang, W.E. Wallace et E. Burzo, J. Magn. Magn. Mater., 61 (1986) 257. [KON92] K. Konno, H. Ido and K. Maki, J. Magn. Magn. Mater., 104-107 (1992) 1369. [KUZ74] Y. B. Kuz'ma et N.S. Bilonizhko, Sov. Phys. Crystallogr., 18 (1974) 447. [MIE75] A.R. Miedema, R. Boom et F.R. de Boer, J. Less Comm. Met., 41 (1975) 283. [NOO85] H.M. Noort, D.B. De Mooij et K.H.J. Buschow, J. Less Comm. Met., 111 (1985) 87.
[PAO94] A. Paoluzi, L. Pareti, M. Solzi et F. Albertini, J. Magn. Magn. Mater., 132 (1994) 185.
[PAR92] L. Pareti, M. Solzi et G. Marusi, J. Appl. Phys., 72 (1992) 3009.
[ROT73] F. Rothwarf, H.A. Leupold, J. Greedan, W.E. Wallace et Dilip K. Das, Int. J. Magn., 4 (1973) 267.
[SEA92] V.F. Sears, Neutron news, 3 (1992) 26.
[STA86] H.H. Stadelmaier, G. Schneider et M. Ellner, J. Less Comm. Met., 155 (1986) L11. [TAY75] K.N.R. Taylor et C.A. Poldy, J. Phys F: Metal Phys., 5 (1975) 1593.
[TEA68] E.T. Teatum, K.A. Gschneidner et J.T. Waber, Los Alamos Report, LA-4003, University of California (1968).
[THA94] C.V. Thang, L.T. Tai, L.D. Tung, N.P. Thuy et T.D. Hien, « 8th
Int. Symposium on Magnetic Anisotropy and Coercivity in RE-TM Alloys », ed. C.A.F. Manwaring, D.G.R.
Jones, A.J. Williams et I.R. Harris, 1994.
[THA95] C.V. Thang, L.T. Tai, J.P. Liu, N.P. Thuy, T.D. Hien et J.J.M. Franse, J. Magn. Magn. Mater., 140-144 (1995) 935.
[THA96] C.V. Thang, Thèse, Université d’Amsterdam, 1996.
[THU88] N.P. Thuy, J.J.M. Franse, N.M. Hong and T.D. Hein, J. de Physique, C8, 49 (1988) 499.
[WIL83] A.R. Williams, V.L. Moruzzi, A.P. Malozemoff et K. Terakura, IEEE Trans. Mag. MAG-19, 5 (1983) 1983.