Diffraction des neutrons

La diffraction neutronique est un outil puissant pour l’étude des matériaux

magnétiques. Le composé Co₂MnO₄ se caractérise par un arrangement cationique et une

répartition des états d’oxydation qui dépendent de plusieurs facteurs, parmi lesquels, la

méthode de synthèse et/ou les traitements thermiques post-synthèse. Dans Bi_xCo_2-xMnO₄, une

partie des cations cobalt est substituée par un élément non-magnétique et ceci induit une fluctuation de valence du Co (Co²⁺/Co³⁺) et du Mn (Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺). Une conséquence directe de ces substitutions est le fait que d’autres interactions pourraient être générées, ou bien simplement, les interactions magnétiques déjà existantes pourraient augmenter ou diminuer en fonction de la quantité de Bi insérée. La structure spinelle est déjà un arrangement complexe des cations dans deux types de sites, tétraédriques et octaédriques ; dans ce contexte, la diffraction des rayons-X (DRX), technique couramment utilisée pour la caractérisation structurale, ne permet pas dans notre cas de distinguer exactement la distribution des éléments Co et Mn. Ainsi, la diffraction neutronique s’avère très utile pour bien différencier le positionnement des cations dans la structure Bi_xCo_2-xMnO₄ puisque les noyaux atomiques du Co et Mn diffèrent et par conséquent, leurs réponses au bombardement des neutrons seront différentes.

Un projet intitulé “Structural studies and cation distribution in multiferroic

compounds: a correlation with electrical and magnetic properties” a été soumis au

laboratoire Léon Brillouin (LLB) du CEA à Saclay (France) en 2012 pour la réalisation des mesures structurales et magnétiques utilisant les spectromètres 3T2 et G4.1, respectivement. Une fois le projet accepté, l’enregistrement a eu lieu récemment, dont nous présentons quelques résultats préliminaires dans l’annexe §.H.

CAPÍTULO 7

7. CONCLUSÕES

As propriedades estruturais e magnéticas de materiais do tipo espinélio sintetizados

via método MPPM e MS foram estudadas. Os compostos Co₂MnO₄ e Bi₂MnO₄ e com

substituição parcial de Bi e Co (Bi_xCo_2-xMnO₄ e Co_xBi_2-xMnO₄) foram caracterizadas por DRX associada a refinamento de Rietveld, a partir dos quais os parâmetros estruturais foram obtidos. Para o composto Co₂MnO₄ e Bi_xCo_2-xMnO₄, a dependência da temperatura e substituição parcial de Bi alterou os tamanhos de cristalitos, bem como a morfologia destes materiais. A presença de Bi na estrutura do tipo espinélio promoveu um rearranjo dos cátions ocupando os sítios tetraedrais e octaedrais e por conseqüência uma flutuação nas valências dos Co e Mn. Nestas estruturas, a distribuição dos cátions se deu da seguinte forma: os cátions Co²⁺ ocuparam os sítios tetraedrais e os Co³⁺, Mn³⁺ e Mn⁴⁺ se distribuíram nos sítios octaedrais. Nos casos de BixCo2-xMnO4 (0,1 ≤ x ≤ 0,3), os cátions Bi3+ substituíram os Co³⁺ nas posições octaedrais.

De acordo com DRX, uma fase espúria rica em Bi foi evidenciada em

Bi_0,3Co_1,7MnO₄, alterando a estequiometria deste composto. O ataque químico do composto

Bi_0,3Co_1,7MnO₄ mostrou que a presença da fase espúria foi drasticamente reduzida, porém, a

morfologia destas amostras foi modificada. No caso de Bi_xCo_2-xMnO₄ (0,0 ≤ x ≤ 0,3), estas

exibiram grãos agregados e um aumento no tamanho de grão, os quais se separaram devido à fase óxida rica em Bi que foi removida da região de contorno de grão após o ataque químico.

A caracterização estrutural dos compostos Co_xBi_2-xMnO₄ evidenciou que as composições

Bi_0,31Co_1,9MnO₄, Bi_0,2Co_1,8MnO₄ e Bi_0,3Co_1,7MnO₄ foram obtidas, embora tenham

apresentado uma morfologia diferente daquela de Co₂MnO₄.

O estudo das propriedades magnéticas mostrou que todos os materiais exibiram um

caráter ferrimagnético característico de Co₂MnO₄, mas que sofreram variações na magnitude

dos parâmetros magnéticos devido à presença do Bi em Bi_xCo_2-xMnO₄ e do Co em

Co_xBi_2-xMnO₄. As variações nas interações de intersítios (J_AA e J_BB) e intrasítios (J_AB) entre Co e Mn, com Co2+ nos sítios A e CoIII, Mn3+ e Mn4+ nos sítios B de (A)[AB]O₄, quando

Bi3+substituiu os CoIII, foram responsáveis pelas alterações do comportamento magnético de

BixCo2-xMnO4 (0,1 ≤ x ≤ 0,3). Nos compostos BixCo2-xMnO4 (0,0 ≤ x ≤ 0,3), a coexistência

rearranjo dos cátions causou um enfraquecimento das interações AFM, confirmado pela redução nos valores de ΘCW, mudando a forma do pico de transição nos ciclos ZFC, de

assimétrica em x = 0,0 para simétrica em Bi_xCo_2-xMnO₄ (0,1 ≤ x ≤ 0,3). Outra consequência

da substituição de Co por Bi foi o aumento na magnitude de TC e MFC, obtidos a partir das

curvas FC. Tal fato mostrou que o Bi presente influenciou nas interações FM causando o

aumento de MFC. O caráter ferrimagnético de todos os materiais foi novamente confirmado a

partir das curvas de histerese MxH, cujos valores HC, MS e M50kOe foram alterados, com HC

diminuindo, M_S e M_50kOe aumentando com a presença de Bi. A substituição de Co por Bi, um

cátion não magnético, não implicou em qualquer alteração do momento efetivo dos compostos, ~ 8,2µ_B, isso porque o Bi³⁺ substituiu os Co^III, um cátion com configuração de

baixo spin e nenhum momento magnético. As interações Co²⁺- Co²⁺ foram enfraquecidas e as

interações de troca Mn³⁺- Mn⁴⁺ foram fortalecidas, sobretudo devido a um efeito de “canting”

dos spins de Co²⁺. Interações de dupla troca e super troca entre os íons Co²⁺, Co³⁺, Mn³⁺,

Mn⁴⁺ e O^2- atuando diretamente nos comportamentos AFM e FM também acentuaram o

caráter magnético destes compostos. Os baixos valores de M_50kOe (< 1µ_B) confirmaram a

presença de interações AFM entre os spins de Co²⁺ e os spins de Mn³⁺, também sugerindo a

coexistência de duas sub-redes magnéticas.

A partir dos resultados estruturais e magnéticos discutidos neste trabalho para os compostos Bi_xCo_2-xMnO₄ (0,0 ≤ x ≤ 0,3) uma proposta de balanço de cargas e estados de

oxidação para Co e Mn foi possível, sendo: (Co2+)[Co2+

xCoIII

1-xMn3+

1-xMn4+

x]O₄ para Co₂MnO₄ e (Co2+)[Co2+x(Bi3+,CoIII)_1-xMn3+

1-xMn4+

x]O₄ para Bi_xCo_2-xMnO₄. Neste aspecto, a caracterização magnética a partir de Difração de nêutrons constitui uma ferramenta poderosa, no sentido de esclarecer e confirmar as propriedades magnéticas discutidas neste trabalho. Para tal, a caracterização via DN já se encontra em andamento e os primeiros resultados serão discutidos no Apêndice I.

PERSPECTIVAS