PROPRIETES MAGNETIQUES ET "STRUCTURE" DES VERRES DANS QUELQUES SYSTEMES TERNAIRES

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Submitted on 1 Jan 1982

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PROPRIETES MAGNETIQUES ET ”STRUCTURE”

DES VERRES DANS QUELQUES SYSTEMES TERNAIRES

C. Chaumont, J. Bernier

To cite this version:

C. Chaumont, J. Bernier. PROPRIETES MAGNETIQUES ET ”STRUCTURE” DES VERRES DANS QUELQUES SYSTEMES TERNAIRES. Journal de Physique Colloques, 1982, 43 (C9), pp.C9- 685-C9-688. �10.1051/jphyscol:19829135�. �jpa-00222442�

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C9, supplément au n° 12, Tome 43, décembre 1982 Va9e C9-685

PROPRIETES MAGNETIQUES ET "STRUCTURE" DES VERRES DANS QUELQUES SYSTEMES TERNAIRES

C. Chaumcmt e t J . C . Bernier

Département Science des Matériaux, ERA 679 du C.M.S.S.jE.N.S.C.S., B.P. 296 B8, 67008 Strasbourg Cedex, France

Résumé• - L'examen e t l ' i n t e r p r é t a t i o n des p r o p r i é t é s magnétiques de v e r r e s d'hypertrempe dans deux systèmes xFegt^ (1-x) [BaO,B203] e t xFe2Ô3 (1-x) [Li20,B203]

conduisent suivant l a teneur en FegC^ à des modèles de coordination t é t r a é d r i q u e ou octaédrique déformés. Dans ces v e r r e s l e s atomes Fe^+ sont suivant l e s concentra- t i o n s c r o i s s a n t e s en Fe2C>3 successivement - i s o l é s , -sous forme de dimères ou t r i m è r e s , -dans des c l u s t e r s en i n t e r a c t i o n s , - e n f i n dans des microcristaux ordonnés.

Abstract. - Magnetic properties of splat cooled glasses have been performed in ternary systems xFegOg (1-x) [BaO.BgOj] and xFe20g (1-x) tl^O.BgOg] . In respect of Fe20o content the interpretation of experimental data leads to structural models with deformed tetrahedral and octahedral coordination for iron site. In these glasses, versus increasing Fe2C>3 concentration, iron atoms are successively isolated, in dimeric or trimeric entities, in clusters in interactions '- and last in small crystallites.

Introduction. - Afin d'étudier l'influence de la concentration en ions magnétiques dans les solides non cristallins, des systèmes ternaires, comportant potentiellement à l'état cristallisé des ferrites, ont été rendus amorphes par hypertrempe.

Ces deux systèmes sont Fe^O, - Li^O - BpOo et Fe^O, - BaO - B„03 où les teneurs mo- laires en FepOg varient entre 0,1 et 50 %. Les propriétés magnétiques permettent- elles de répondre aux questions :

- Les verres obtenus comportent-ils des cristaux de ferrite ?

- Comment se placent les cations F e3 + dans le réseau désordonné du verre ?

- L'augmentation de la teneur en Fe20g induit-elle des 'microstructures magnétiques ordonnées ?

Résultats expérimentaux. - Les verres sont préparés par hypertrempe sur rouleaux de bronze, selon une technique déjà décrite (1) (2). Les mesures magnétiques sont effectuées entre 4 et 1100 K sur magnétomètre vibrant (3) ou sur balance paramagnétique (4). Les mesures en champ fort ( > 20 KG) ont été réalisées au S.N.C.I..

Dans une large gamme de composition et de température les verres sont paramagnéti- ques suivant un comportement de type Curie-Weiss. Lorsque la concentration en fer augmente les constantes de Curie C diminuent et les températures de Curie 16p | augmentent. Aux basses températures x~ ^ s'écarte d'une variation linéaire par valeurs inférieures au-dessous d'une température ïy. . Pour les plus fortes concentrations apparaissent au-dessous d'une température de transition T_ des propriétés de type mictomagnétiques (5). Notons que la valeur de Tj varie suivant les moyens d'observation (champ statique (s.s.), alternatif (d.s.) et Mossbauer). Les tableaux 1 et 2 résument l'essentiel des caractéristiques magnétiques de ces phases.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19829135

JOURNAL DE PWSIQUE

1 1 F e 2 0 3 ) % 1 5 1 3 0 1 4 2 1 5 0 1

1 V e r r e / Ba0 % 1 24 1 45 1 7

j

)

1 ! B2O3 1 ^% 1 7 1 1 25 1 51 1 1 5 l T a b l e a u I - F e O - ^{B a 0} - ^{B O}

I C 1 1 ^3.2 1 ^1,6 1 ^2.8 1 ^4,3 1 ^{-2-3--- 2-3}

1 ^{Op K} 1 ^-10 1 ^-95 1-170 1-190 1

1 T 1 K 1 25 1 80 1 140 1 ( 1 ) 1 ( 1 ) d é v i a t i o n à l a l o i de C u r i e - W e i s s

/ TTran. ( S . S . ) 1 K 1 1 ¹² 1 14 / 70 1 p a r v a l e u r s s u p é r i e u r e s

\ ( d . ~ . ) 1 X / 1 38 \ 1 1

1 Mossb. 1 ^{K <4}

1

!

:

T a b l e a u 2 - F e 2 0 2 - L i 2 0 - ^B203

Fe203 ( % 1 1,2 1 2 , 5 1 3 , 7 ( 6 , l ( 1 1 , 9 ( 1 4 , ~ 117,4 1 8 , 3 ]16,7 [

1

/

I C 1 \ 4 , 5 1 4 , 2 \ 3,8 \ 3 , 4 1 3.2 1 2 . 9 1 3,2 1 3,7 1 2 , 7 1 1 ^Op 1 ^K 1 O / -10 ( -28 1 -33 ( -78 1 -88 1-115 1 ^-57 1 ^{-77 j} 1 T 1 ^K 1 ( 4 )

1

1 T l r a n . ( S . S . ) l ^K 1 l 1 < 1 , 4 1 I I I I

I T T ~ ~ ~ . (d.S.) I K I

i

) ^{TT,.,,. Mossb. ) K} / 1 1 1 ^<4 1 ⁸ 1 ^>8 / >8 1 >4 ( >8 /

1 l l ~ l l l l l l ~ l

Interprétation. - Au-dessous de la température de transition, certains échantillons présentent une variation d'aimantation a qui n'est plus linéaire avec le champ magnétique H. Ceci pourrait être l'indice de petits cristaux de ferrites (LiFe508), de taille inférieure à 30 &, qui entraîneraient un comportement superparamagnétique.

Le tracé de a=f(H/T) fig. 1 montre qu'il n'existe pas de loi de Langevin pour ce type de verre. D'autre part la constante de Curie par atome de fer n'est pas supérieure à la valeur 4,37 théorique. Ces deux raisons conduisent à écarter l'hypothèse de microcristaux de ferrite tout au moins pour les verres comportant moins de 40 % de Fe203.

Fig. 1 : Aimantation en fonction de H/T à diffé- rentes températures pour Li B O 90 - LiFe508 10

2 2 4

Les mesures Mossbauer (6) montrent un élargissement Important de l'éclatement quadrupolaire qui est le reflet de la grande distribution des angles et distances dans les polyèdres de coordinence autour des ions

.

Compte tenu de ce modèle, la nécessité d'interpréter les propriétés magnétiques à partir d'interactions Fe - O - Fe de superéchange nous a conduit _à étudier les susceptibilités d'entités polynucléaires pour les concentrations relativement peu importantes en Fe O (X < 10 %).d'où une susceptibilité x = Plxl + P2x2 + P3x3

2 3

ou x1 correspond à la contribution d'ions isolés, x2 celle d'un dimère, x3 celle d'un trimère, Pl P2 Pg étant les populations respectives de ces entités. Pour le calcul, nous nous sommes basés sur des modèles d'Heisenberg en prenant pour Hamiltonien.

-,.

%=

2

%=

1 2 1 2 2 3

r'

Fig. 2 :

Inverse de la susceptibilité magnétiqueen fonction de la température pour Li2B20495% - ^LiFe5O85%

( -calculs, points expérimentaux)

Cg-688 JOURNAL DE PHYSIQUE

La figure 2 donne pour l'un des verres (x= 5%) l'accord entre les susceptibilités calculées et expérimentales. La détermination des paramètres d'échange de l'ordre de -10 K et des populations montre bien que la concentration en monomère diminue alors que celle de dimères et trimères augmente avec la concentration e n ~ e . Au-delà des concentrations en Fe203 supérieures à 10 % les transitions mictomagné- tiques apparaissent, ces transitions sont dues aux effets de frustrations entre entités polymériques en interaction. Aux basses températures, un gel aléatoire des directions d'aimantation de ces microdomaines conduit aux non réversibilités d'aimantation, et aux propriétés de thermorémanence.

Conclusions. - Les cations fer dispersés dans les verres d'hypertrempe constituent une sonde magnéto-structurale intéressante pour préciser les arrangements atomiques dans ces solides. Dans les deux systèmes étudiés, les propriétés magnétiques conduisent à une interprétation en termes d'ions isolés pour x <1%, en termes d'entités dimériques ou trimériques en interaction antiferromagnétique pour 1 < x < 8%, en termes de clusters en interaction conduisant au mictomagnétisme pour x < 30%. Au-delà la non cristallinité n'est plus vraiment réalisée et le superparamagnétisme apparaît.

Bibliographie.

1. C. CHAUMONT, J. BOISSIER, J.C. BERNIER, Rev. Int. des H.T. et Réfr., 2, (1978), 23-32

2. H. LAVILLE, J.C. BERNIER, J. Mat. Sci., E, (1980), 73-83 3. S. FONER, Rev. Scient. Inst., E, M7. (1959), 548

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