1.3 Enjeux fondamentaux
2.1.1 Structure cristallographique de l’alliage Fe x Pt 1−x
L’alliage FexPt1−x forme une solution solide par substitution pour une grande
gamme de composition. Selon la température et la composition x, l’alliage FexPt1−x
se présente sous plusieurs phases (Fig. 2.1). On peut distinguer d’une part la phase dite chimiquement désordonnée (γ-Fe,Pt) et d’autre part les phases chimiquement ordonnées L10 et L12 (Fig. 2.2).
Phase chimiquement désordonnée (γ-Fe,Pt)
La phase désordonnée est la phase thermodynamiquement stable à haute tem- pérature et cela pour une très large gamme de composition. Cette phase cristallise selon une maille cubique à faces centrées (cfc, groupe d’espace : F 4/m -3 2/m) où chaque site atomique est aléatoirement occupé par un atome de platine ou de fer (Fig. 2.2). Le paramètre de maille de cette phase varie avec la composition de l’al- liage FexPt1−x [42, 43]. Cette variation a été étudiée en détail par Bonakdarpour
et al. [44] pour des nanocristaux (10 à 20 nm) de FePt dans la phase chimiquement 21
Fig. 2.1 – Diagramme de phase de l’alliage FePt. Extrait de [41]. désordonnée (Fig. 2.3).
Ces données nous permettront dans la suite d’estimer la composition du cœur cristallisé de nos nanoparticules de FePt à partir du paramètre de maille mesuré en diffraction de rayons X. Bien que les résultats de Bonakdarpour et al. ont été établis à partir de particules de FePt beaucoup plus grosses que les nôtres (diamètre 3 à 6 fois plus élevé), nous avons choisi de les utiliser car aucune étude n’a été publiée pour des particules de FePt de 3-4 nm de diamètre. De plus, ces particules sont déjà suffisamment « grosses » pour qu’un effet très important de la taille sur le paramètre de maille ne soit pas attendu (les effets de taille sont discutés au paragraphe 2.2.1).
Fig. 2.2 – Structure cristallographique des différentes phases de l’alliage FePt. La structure cristallographique de la phase L12 pour la composition Fe3Pt est similaire
à celle de l’alliage ordonnée FePt3, il suffit d’intervertir les atomes de fer avec ceux
Fig. 2.3 – Variation du pa- ramètre de maille a en fonc- tion de la composition x de l’alliage FexPt1−x dans sa
phase chimiquement désor- donnée. Extrait de [44].
Phase L10
La phase chimiquement ordonnée L10 (groupe d’espace : P4/m2/m2/m) est la
phase thermodynamiquement stable à température ambiante pour une composition comprise entre 35% et 55% de Pt. Cette phase ordonnée peut être décrite, pour la composition Fe50Pt50, par un empilement de plans atomiques de fer pur et de
platine pur (Fig. 2.2 L10). Cette structure particulière implique une diminution du
paramètre de maille selon l’axe c perpendiculaire à ces plans atomiques de Fe et Pt pur et conduit à une stucture cristallographique quadratique (a = b 6= c). Les valeurs des paramètres de maille pour l’alliage FePt dans la phase L10, qui diffèrent
légèrement selon les sources, sont rassemblées dans le tableau 2.1. Entre les états ordonné et désordonné, il existe à température ambiante toute une gamme d’états métastables correspondant à des degrés d’ordre divers. Deux paramètres permettent de décrire ce degré d’ordre : l’ordre à longue distance, quantifié par le paramètre S, et l’ordre à courte distance.
La maille cristallographique de la phase L10 pour l’alliage Fe50Pt50 parfaitement
ordonné peut être décrite comme la superposition de deux sous-réseaux : un sous- réseau I correspondant aux plans de fer pur et le sous-réseau II correspondant aux plans de platine pur. On peut définir les taux d’occupations nF e/I (nP t/I) et nF e/II
(nP t/II) par les atomes de fer (platine) respectivement dans les sous-réseau I et II.
Le paramètre d’ordre à longue distance est alors défini par la relation suivante : S = nF e/I− nF e/II = nP t/I − nP t/II (2.1) Tab. 2.1 – Différentes valeurs des paramètres de maille a et c de l’alliage FePt dans la phase L10 relevées dans la littérature.
Paramètres de maille %Atomique Fe Référence a (Å) c (Å)
3.842 3.702 50.00 [45] 3.861 3.788 45.88 [46] 3.846 3.723 51.60 [47]
Dans le cas d’un alliage stœchiométrique (Fe50Pt50), le paramètre d’ordre S varie de
0 pour un alliage désordonnée (les taux d’occupations valent nF e/I = nP t/II = 0.5 et
nF e/II = nP t/I = 0.5), à 1 pour un alliage parfaitement ordonnée (nF e/I = nP t/II = 1
et nF e/II = nP t/I = 0).
Dans le cas d’un alliage FexPt1−x dans la phase L10 proche de la stoechiométrie
(0.45 < x < 0.65), le paramètre d’ordre maximal ne vaut plus 1 car la maille cristalline n’est plus constituée de plans atomiques purs. En effet, dans le cas où l’alliage est riche en fer (x > 0.5) la maille correspond à une alternance de plans atomiques de fer pur et de plans atomiques mixtes contenant du fer et du platine. Il est possible de relier la valeur maximale du paramètre d’ordre à la composition x par la formule suivante :
Smax= 1 − 2 1 2 − x (2.2) A partir de mesure de diffraction de rayons X, il est possible d’estimer la valeur du paramètre d’ordre à longue distance S en utilisant le rapport des intensités d’une raie de surstructure1et d’une raie fondamentale, par exemple les raies (001) et (002).
Nous verrons en détail les méthodes utilisées pour déterminer le paramètre d’ordre à longue distance dans le paragraphe §3.3.3.
L’ordre directionnel à courte distance est directement responsable de l’anisotropie magnétocristalline, il peut être quantifié à l’aide des probabilités PplanFe/Fe et PhorsFe/Fe, qui correspondent aux probabilités pour un atome de fer d’avoir un premier voisin fer soit dans le plan perpendicuaire à l’axe c, soit hors du plan, c’est-à-dire dans la direction <101>. Dans le cas de l’alliage de composition Fe50Pt50, elles varient donc
de PplanFe/Fe = PhorsFe/Fe = 0.5 pour un alliage homogène et désordonné à PplanFe/Fe = 1 et PhorsFe/Fe = 0 pour l’alliage parfaitement ordonné. Dans cette étude, les mesures indirectes de l’anisotropie magnétocristalline peuvent être reliées à ce paramètre. Notons que, bien évidement, un paramètre d’ordre à longue distance élevé correspond nécessairement à un ordre chimique à courte distance lui aussi élevé.
Phase L12
Pour des compositions proches de FePt3 et Fe3Pt, la phase thermodynamique-
ment stable à température ambiante est la phase chimiquement ordonnée L12. Elle
est caractérisée par une maille cristallographique cubique à faces centrées (groupe d’espace : P m -3 m) avec, dans le cas de l’alliage FePt3, une succession de plans ato-
miques de platine pur et de plans atomiques contenant autant de fer que de platine (Fig. 2.2 L12). Comme pour la phase L10, la phase L12 présente un ordre chimique
à longue distance qui se traduit par l’apparition de raies de surstructures dans le réseau réciproque. Il est cependant aisé de distinguer ces deux phases ordonnées car seule la phase L10 présente un dédoublement de certaines raies de diffraction2 du
fait de la maille quadratique de cette phase.
1L’existence d’un ordre chimique à longue distance dans l’alliage FePt se traduit par l’apparition
de raies de surstructure dans le réseau réciproque.
2Les raies (002), (202) et (113) ne sont pas aux mêmes positions que les raies (200), (220) et
Fig. 2.4 – Évolution de la tempé- rature de Curie avec la composi- tion atomique x de l’alliage massif Fe1−xPtx dans les phases chimique-
ment ordonnée et désordonnée. Ex- trait de [48].
Nous avons vu que selon la composition et la température, l’alliage FexPt1−x se
présente sous différentes phases. Dans la suite, nous verrons comment la structure cristalline influence les propriétés magnétiques de l’alliage FexPt1−x.