4.3 Matériaux à aimantation contrôlée
4.3.1 Effet des substitutions par le gadolinium
4.3.1.1 Mesure de l’aimantation à saturation
Nous avons vu dans le paragraphe 3.3.2 que les substitutions par le gadolinium étaient un moyen d’ajuster l’aimantation à saturation. A partir du grenat de référence substitué par le bismuth et le cuivre, nous avons étudié l’effet de substitutions croissantes par le gadolinium. Les aimantations à saturation ont été déterminées par la méthode du balancier mais aussi en fonction de la température grâce à un magnétomètre SQUID afin de pouvoir déterminer l’existence d’un point de compensation dû à l’insertion du gadolinium dans la maille grenat. Les ferrites ont été frittés à 950˚C afin d’avoir de bonnes densités. Les résultats des mesures sont présentés dans le Tableau 4.24.
MS (mT) à 20˚C YIG 180 Gd0,2 177 Gd0,4 162 Gd0,6 156 Gd0,8 145
Tableau 4.24 – Aimantation à saturation de matériaux Y2,297-xCu0,05Bi0,67GdxFe5O12frittés
à 950 ˚C
La décroissance de MS observée est celle attendue. Comme présenté sur la Figure 4-11. où
est présentée la variation de l’aimantation à saturation en fonction du taux de gadolinium, le MS a tendance à décroitre quand la substitution en Gd3+ augmente.
Les résultats obtenus sur nos matériaux et mesurés en laboratoire concordent avec ceux obtenus par Nicolas en 1980 sur des grenats d’yttrium-fer substitués par du gadolinium de formule Y3-xGdxFe5O12 [NIC80].
Comme vu dans le chapitre précédent, le remplacement des ions Y3+ par les ions Gd3+ en
site dodécaédrique entraîne une diminution de la densification. De l’oxyde de vanadium a donc été ajouté à 0,33 % en poids. L’effet de l’ajout d’oxyde de vanadium sur le matériau n’entraîne pas de modifications importantes de l’aimantation à saturation (Tableau 4.25). Les résultats obtenus sont plus faibles en présence de vanadium. C’est ce qui avait été mis en évidence lors de la caractérisation des matériaux Y2,28-xCu0,05CaxBi0,67Fe5-yVyO12 avec x
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
Figure 4-11 – Aimantation à saturation en fonction du taux de gadolinium MS (mT) YIG 180 Gd0,2 + V2O5 161 Gd0,4 + V2O5 158 Gd0,6 + V2O5 142 Gd0,8 + V2O5 132
Tableau 4.25 – Aimantation à saturation de matériaux Y2,297-xCu0,05Bi0,67GdxFe5O12frittés
à 880 ˚C grâce à l’ajout d’oxyde de vanadium
Précédemment, il a été établi que le grenat de fer-gadolinium possédait un point de compen- sation aux alentours de la température ambiante. Quand le taux de gadolinium diminue, ce point de compensation diminue vers les basses températures (Figure 3-14).
Une fois passé ce point de compensation, l’aimantation à saturation présente un comporte- ment plutôt stable et ses variations sont peu importantes. Pour les ferrites présentés ci-dessus, la température de fonctionnement se situera au-delà de ce point particulier.
Les mesures de l’aimantation à saturation en fonction de la température ont permis d’avoir une idée de la variation de 0 à 300 K de nos matériaux (Figure 4-12). L’objectif est d’avoir les variations les plus réduites possible en température.
Les courbes présentées Figure 4-12 montrent la présence d’un point de compensation seule- ment pour le matériau Y2,297-xCu0,05GdxBi0,67Fe5O12 avec un fort taux de gadolinium (x =
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
Figure 4-12 – Variation des aimantations à saturation des matériaux substitués par le gadolinium en fonction de la température
0,8). C’est en effet ce qui était présenté dans l’article de Harison [HAR62]. La compensation entre tous les sous-réseaux magnétiques a lieu à très basse température (environ 40 K) et ne viendra donc pas perturber le fonctionnement du matériau lors de son insertion dans un dispositif.
Lorsque l’on s’approche de la température ambiante, les variations de l’aimantation à satura- tion, pour les quatre taux de gadolinium étudiés, sont réduites comparées à leurs variations à basse température.
4.3.1.2 Mesure des pertes magnétiques
Les pertes magnétiques Δ𝐻 ont été déterminées sur des billes de ferrite substituées bismuth, cuivre et gadolinium Tableau 4.26. Ces matériaux ont été frittés à 950˚C.
Δ𝐻 (Oe) BiCu 240 Gd0,2 245
Gd0,6 313
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES
est un ion relaxant. Cette augmentation est assez modérée car le grenat de référence contient déjà des ions relaxants comme Bi3+ et Cu2+.
4.3.1.3 Caractérisations diélectriques
Comme vu précédemment, la substitution de l’yttrium par le gadolinium permet d’ajuster l’aimantation à saturation. Mais quel est son effet sur les pertes diélectriques ?
Des pastilles des quatre ferrites étudiés précedemment ont été réalisées et frittées à 880 ˚C. Les résultats obtenus à l’impédancemètre, entre 1 MHz et 1,8 GHz, sont comparés à ceux du YIG et de Y2,23Cu0,05Ca0,05Bi0,67Fe4,95V0,05O12 (Figure 4-13).
Figure 4-13 – Permittivité des matériaux substitués par le gadolinium
Les substitutions par le gadolinium en site dodécaédrique n’entraînent apparemment pas de modification de la permittivité qui reste élevée, surtout comparée au YIG pur. La permittivité en présence de gadolinium semble tout de même être légèrement supérieure lorsqu’il n’y a pas de gadolinium dans le ferrite. Ces résultats concordent parfaitement avec la littérature qui confirme que le gadolinium dans la maille a un faible impact sur la permittivité [SHA93]. La polarisabilité du gadolinium est légèrement plus élevée que celle de l’yttrium qu’il remplace, mais la variation de la permittivité n’en est que très peu impactée.
Ces mesures de permittivité ont été complétées par des mesures de pertes diélectriques à 50 MHz. Les valeurs obtenues sont présentées dans le Tableau 4.27.
Les valeurs de pertes diélectriques sont plus élevées que celles du YIG pur, comme dans tous les résultats précédents. Néanmoins, elles restent acceptables pour les applications visées,
CHAPITRE 4. CARACTÉRISATIONS MAGNÉTIQUES ET DIÉLECTRIQUES EN HYPERFRÉQUENCES 𝑡𝑔𝛿 (10-3) YIG 0,2 Gd0,2 + V2O5 2,1 Gd0,4 + V2O5 1,9 Gd0,6 + V2O5 1,4 Gd0,8 + V2O5 2,1
Tableau 4.27 – Pertes diélectriques à 50 MHz des matériaux Y2,297-xCu0,05Bi0,67GdxFe5O12
frittés à 880 ˚C grâce à l’ajout d’oxyde de vanadium
d’ordre de grandeur 2.10-3. Aucune tendance de variation n’est observée et les pertes varient
très peu avec le taux de gadolinium.