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Figure 1 : Etapes des expériences sur les irradiations

V Données clefs sur les NPs de FePt issues de la synthèse nitrile 

Figure 1 : Etapes des expériences sur les irradiations

I. Sommaire 

I.  Sommaire ... 112  II.  La mise en ordre assistée par irradiation ... 113  II.1.  L’irradiation appliquée aux couches minces ... 113  II.2.  Préparation des échantillons et irradiation des NPs ... 114  II.2.a.  Dépôt des NPs en films minces ... 115  II.2.b.  Irradiations au CSNSM ... 116  II.3.  Echantillons étudiés ... 116  III.  Propriétés structurales des NPs de 4nm irradiées à 300°C ... 118  III.1.  Mesure ... 118  III.2.  Exploitation et interprétation ... 119  III.2.a.  Diamètre de Scherrer et coalescence ... 119  III.2.b.  Paramètre de maille ... 120  III.3.  Conclusion ... 120  IV.  Propriétés magnétiques des NPs de 4nm irradiées à 300°C ... 121  IV.1.  Mesure ... 121  IV.2.  Exploitation des courbes FC‐ZFC ... 121  IV.2.a.  Température de blocage TB ... 121 

IV.2.b.  Constante l’anisotropie effective Keff ... 122 

IV.3.  Exploitation des cycles d’hystérésis ... 123  IV.4.  Interprétations ... 124  IV.4.a.  Rôle limitant de la surface des NPs ... 124  IV.4.b.  Carbonisation des ligands ... 124  IV.4.c.  Conclusion ... 125  V.  Comparaison avec les autres lots : étude de la température et du type de NPs ... 126  V.1.  NPs de 4nm irradiées à 350°C (Lot C) ... 126  V.1.a.  Résultats issus des mesures de diffraction des rayons X ... 126  V.1.b.  Résultats des mesures magnétiques ... 127  V.2.  NPs poly‐cristallines de 13nm (Lot D)... 127  V.2.a.  Résultats des mesures DRX ... 127  V.2.b.  Résultats des mesures magnétiques ... 128  V.3.  NPs de FePt inhomogènes (Lot E) ... 128  V.3.a.  Résultats des mesures DRX ... 128  V.3.a.  Résultats des mesures magnétiques ... 129  VI.  Conclusion ... 130  VII.  Bibliographie... 131   

 

II.  La mise en ordre assistée par irradiation 

 

II.1.

L’irradiation appliquée aux couches minces 

 

Nous  nous  sommes  intéressés  à  l'irradiation  par  des  ions  légers  car  cette  technique  a  donné  des  résultats  très  prometteurs  sur  des  couches  minces  de  FePd  élaborées  couche  par  couche  (ordre  directionnel à courte distance). Ces études conduites au sein du laboratoire SP2M/NM en partenariat  avec le CSNSM1 ont montré que l'irradiation des couches minces de FePd par des ions He+ de faibles  énergies  (30  à  130  keV)  à  une  température  modérée  (300°C)  permet  d'en  améliorer  l'ordre  chimique2.  Les  études  expérimentales  ont  été  complétées  par  des  simulations  numériques  de  type  Monte  Carlo  pour  déterminer  les  mécanismes  mis  en  œuvre.  Après  irradiation,  les  domaines  chimiquement ordonnés attendus apparaissent suivant les trois variants possibles. Effectivement, si  une  couche  mince  de  FePd  ne  présente  pas  d'ordre  chimique  à  courte  distance  initiale,  les  zones  ordonnées peuvent se développer dans les trois directions ce qui empêche le développement d’une  anisotropie  unidirectionnelle  globale  de  l’échantillon  (Figure  2‐a).  Bernas  et  al.1  ont  montré  que  la  seule  pré‐existence  d’un  ordre  directionnel  à  courte  distance  permet  la  sélection  d’un  seul  variant  (Figure 2‐b). 

 

   

La  situation  serait  a  priori  différente  pour  des  particules  de  FePt  nanométriques.  En  effet,  il  est  vraisemblable que la taille limitée des nanoparticules ne permette pas la nucléation et la croissance  de  plusieurs  variants  (Figure  3)5.  On  s'attend  donc,  en  deçà  d’un  diamètre  critique  (inconnu),  à  la  présence d’un seul variant par particule, sans alignement de ces variants d'une particule à l'autre.   Les  températures  utilisées  (300°C)  pour  permettre  la  mobilité  des  lacunes  créées  par  l'irradiation  étant  trop  faibles  pour  conduire  à  la  coalescence  des  particules,  cette  technique  permettrait  d'obtenir  des  nanoparticules  de  FePt  chimiquement  ordonnées  sans  détériorer  leur  dispersion  en  taille, ni leur organisation sur le substrat.      Figure 2: Simulations Monte Carlo sur des couches minces de FePd après irradiation d’ions He+, 1pixel  représente un atome de Fe ou de Pd suivant sa couleur. (a) couche mince désordonnée avant irradiation  (b) couche mince avec un ordre à courte distance avant irradiation1.  

   

 

Lors  de  l’étude  sur  les  couches  minces,  un  certain  nombre  de  paramètres  ont  été  discutés  et  les  processus physiques mis en jeu lors de l’irradiation ont été explorés1 :  

 l'énergie  des  ions  est  suffisamment  élevée  pour  que  les  ions  traversent  l'échantillon  sur  une  centaine de nanomètres d'épaisseur et qu’il n'y a pas d'implantation d'hélium dans les particules.     l'énergie  transférée  aux  atomes  de  l'échantillon  lors  de  la  collision  avec  les  ions  He+  est  très  faible. Il n'y aura pas de cascade de collisions et le déplacement d'un atome ayant subi une collision  sera limité à une, voire deux, distances interatomiques. 

 la  faible  interaction  entre  les  ions  He+  et  l'échantillon  (le  nombre  d'atomes  déplacés  est  d'environ  5  10‐2  atome.ion‐1.nm‐1)  conduit  à  un  nombre  limité  de  défauts  par  ion  incident  et  ne  conduit pas à des dommages irréversibles pour la structure cristallographique du matériau dans les  couches minces. 

 

L’irradiation  de  l’alliage  désordonné  par  les  ions  He+  conduit  à  la  création  de  paires  « atomes  interstitiel‐lacune »  (paires  de  Frenkel)  qui  peuvent  soit  se  recombiner,  soit  rester  stables.  Environ  10%  des  paires  de  Frenkel  échappent  à  une  recombinaison  rapide,  demeurent  et  provoquent  une  sur‐saturation  de  lacunes  dans  le  matériau.  Le  déplacement  de  ces  lacunes  implique  un  grand  nombre  d'échanges  entre  les  atomes  du  matériau  et  cela  va  conduire  à  une  restructuration  cristalline.  Afin  d'augmenter  la  mobilité  des  lacunes  créées  par  l'irradiation,  il  est  nécessaire  de  chauffer  l'échantillon  à  une  température  modérée,  typiquement  de  l'ordre  de  300°C.  La  mise  en  ordre  chimique  est  induite  grâce  à  la  diffusion  de  lacunes  uniquement.  Le  chemin  suivi  par  une  lacune dépend statistiquement des énergies des différentes liaisons (Fe‐Fe, Fe‐Pt et Pt‐Pt) créées et  rompues, et conduira à la formation de la phase thermodynamiquement stable L10. 

 

Notons que la description que nous proposons des mécanismes mis en œuvre implique d’effectuer le  recuit à 300°C pendant l’irradiation, d’optimiser la mobilité des lacunes formées, et donc le nombre  d’échanges  entre  atomes  au  sein  du  matériau  irradié.  De  plus,  on  évite  les  recombinaisons  des  lacunes créées et la formation d’agglomérats de lacunes (plus stables qu’une lacune isolée).    

II.2.

Préparation des échantillons et irradiation des NPs 

  Pour des énergies de 30 keV, les ions hélium ont une profondeur de pénétration de l’ordre de 100  nm dans FePt. Afin d'irradier de façon homogène toute l'épaisseur de l'échantillon, il est nécessaire  que l'épaisseur du dépôt de nanoparticules de FePt soit inférieure à 100 nm. Mais il faut également  qu’elle  soit  suffisante  pour  que  la  quantité  de  matière  déposée  permette  les  caractérisations  structurales  (DRX)  et  magnétique  (SQUID).  Des  échantillons  spécifiques  sont  donc  requis  pour  concilier ces exigences : une couche mince de nanoparticules d’une épaisseur de 100 nm.