Étude sur la structure magnétique de FeCr2O4

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Submitted on 1 Jan 1964

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Étude sur la structure magnétique de FeCr2O4

G.L. Bacchella, M. Pinot

To cite this version:

G.L. Bacchella, M. Pinot. Étude sur la structure magnétique de FeCr2O4. Journal de Physique, 1964,

25 (5), pp.537-541. �10.1051/jphys:01964002505053700�. �jpa-00205823�

ÉTUDE SUR LA STRUCTURE MAGNÉTIQUE ^DE FeCr2O4

Par G. L. BACCHELLA et M. PINOT,

Service de Physique ^{du Solide et} de Résonance Magnétique, ^{C. E.} N., Saclay.

Résumé.

Nous avons étudié FeCr2O4 ^{dans le but de} déterminer sa structure magnétique.

A la température ^{de 4,2 °K la} structure est certainement différente du modèle Yafet-Kittel et

peut, ^en première approximation, être considérée comme une spirale ferrimagnétique ^{du même} type que ^celle proposée par Hastings ^et Corliss dans le cas de MnCr2O4.

Abstract.

We have studied FeCr2O4 ⁱⁿ order to determine the magnetic ^structure.

At the temperature ^{of 4.2} °K, the structure is for certain different from the Yafet-Kittel model and _{may be} considered, ^{to a first} approximation, ^{as a} ferrirnagnetic spiral ^{of the same} type ^as pro-

posed ^first by Hastings ^{and Corliss for the case of} MnCr2O4.

25,

Introduction.

La théorie du ferrimagnétisme

de Néel appliquée ^à la chromite de f er, ^ne peut

rendre compte ^{du moment} magnétique par molé-

cule, ^tel qu’il ^a été mesuré par Lotgering [1].

Deux explications ^{de cet écart ont été} f ournies :

-

par Lotgering ^en utilisant le modèle Yafet et Kittel qui ^{trouve un} bon accord avec les valeurs

expérimentales ;

-

par Wickham ^et Goodenough [2] qui ^admet-

tent pour les sites octaédriques ^{le schéma antiferro-} magnétique selon la formule suivante :

Ce modèle donne comme résultat 1,0 magnéton

de Bohr par molécule.

L’étude aux rayons X ^{révèle une} transformation

cubique quadratique ^{à une} température supérieure

à la température ^{de Curie Tc} (voir ^{tableau no 1)} [3], [4].

Notons également qu’une anomalie de chaleur

spécifique ^{a été mise en évidence aux} environs de 135 -K [5].

TABLEAU 1

Du fait de la diversité de ces modèles et résul- tats, ^{il nous a} paru intéressant de reprendre ^en

détail l’étude de FeCr,O,. ^En plus ^{des travaux de} radiocristallographie déjà mentionnés, ^{nous avons}

effectué des mesures d’aimantation et de suscep-

tibilité. Enfin des expériences de diffraction de neutrons sur poudre ^{ont été} entreprises ^{à diff é-}

rentes températures.

Préparation de l’échantillon.

Un mélange d’oxyde ^{de fer et} d’oxyde ^{de chrome a été chauffé}

dans l’air à 1400° suivant la réaction

Cette solution solide a ensuite été mélangée ^{à du}

fer pur réduit par hydrogène ^{et chauffée sous vide}

dans un tube de quartz ^{à 1 100°.}

Aucune trace d’oxydes ^{de chrome ou} de fer n’est apparue ^aux rayons X.

Résultats expérimentaux.

A) TEMPÉRATURE

DE TRANSITION.

Elle a été déterminée à l’aide d’un diffractomètre Philips ^en suivant le sommet de la raie (511,333) ^à différentes températures.

En figure 1 ^sont reportés les résultats expéri-

mentaux ci-dessus. Elle comporte également ^les paramètres ^de la maille à 4,2 ^{OK obtenus} par diffraction neutronique. Ces derniers résultats sont entachés d’une erreur plus grande ^{du fait de l’exis-}

FIG, l.

Paramètres de maille. ® rayons X, ^{0 neutrons.}

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01964002505053700

538

TABLEAU II

(1) Diffraction neutronique.

(2 ) ^Allain (communication privée).

tence de deux raies exploitables seulement. Les valeurs de déterminées à 90 et 4,2 ^{° K sont} 0,987 ^et 0,971.

B) ^MESURES MAGNÉTIQUES. ^{- Nous avons effec-}

tué des mesures de susceptibilité ^{et de moment} magnétique ^en fonction du champ ^{à la} température

de 4,2 ^OK. Ces résultats sont résumés dans le tableau no II.

C) DIFFRACTION NEUTRONIQUE. -Trois spectres

ont été réalisés à 293,87 ^et 4,2 ^oK (fis. 2). ^A tempé-

rature ordinaire le spectre ^est celui d’un spinelle cubique. ^Le meilleur accord entre les intensités

expérimentales ^{et calculées est} obtenu pour la valeur u ⁼ 0,388 ^du paramètre ^de l’oxygène ^et

x ⁼ 0,98 ^du paramètre d’inversion.

A 87 OK les raies sont dédoublées, la transfor- mation cubique quadratique ayant déjà ^eu lieu ; apparemment ^il n’y ^a pas d’indice d’existence d’une structure magnétique ordonnée, ^d’une part

parce que la somme des intensités des raies dédou- blées est, aux erreurs près, ^{la même} que celle des raies initiales et, ^d’autre part, parce qu’apparaît

centrée à f5o en 20 une bosse très élargie indicatrice

plutôt d’un ordre magnétique ^{à courte distance.}

Par contre à 4,2 ^oK de nouvelles raies apparais-

sent tandis que la bosse ^a disparu, indiquant ^la

FIG. 2.

Diagrammes ^de diffraction neutronique ^{à 4:,2 oK, 87 OK, et 293 oR} (a ⁼ 1,143 À).

présence ^{d’une structure} magnétique ^ordonnée.

Cette ^{structure ne} peut ^être interprétée ^{dans un}

modèle à moments parallèles ^{où la maille} magné- tique ^{serait un} multiple ^{de la} maille nucléaire.

La ressemblance avec le spectre de la chromite de manganèse ^obtenu par Hastings ^{et Corliss} [6]

suggère ^{une structure à} spirales coniques.

Pour rendre compte ^{de la} position ^{des raies} supplémentaires ^trois structures ont été essayées

en supposant le vecteur de propagation ^{de la} spirale parallèle ^aux directions 001, 110, ¹¹¹ (et ^{en ne}

tenant pas compte ^en première approximation ^de

la distorsion quadratique). Seules les directions 001 et 110 donnent un bon accord _{pour les} valeurs du module du vecteur de propagation : 0,026 ^{A -1 et} 0,037 ^{Á -1} respectivement (fig. ^{3 et} 4).

deux _cas, apparaîtrait ^aux petits angles (1040’ ^et

2020’ _{pour 20} respectivement).

Malheureusement dans la limite des erreurs ce

satellite n’a pu être décelé.

L’indexation des satellites observés dans les deux

cas fait toutefois pencher pour la direction 001, ^le

satellite 311 (- 4) ayant normalement dû être observé dans l’autre cas.

L’influence d’un champ magnétique parallèle ^au

vecteur de diffusion, ^{sur les raies} magnétiques, ^est également ^{en accord avec} l’existence de spirales coniques, ^{les raies} magnétiques ^{« de} structure » diminuant quand ^le champ croit, ^les raies satellites

augmentant ^{au contraire.}

Toutefois, ^{à l’heure} actuelle, ^{nous n’avons} pu déterminer ^une structure magnétique capable ^de

FIC. 3.

Diagramme ^{en fonction du vecteur t} (110).

Pour trancher entre les deux cas on a recherché

avec soin le satellite du noeud 000 qui, ^{dans les}

FIG. 4.

Diagramme a2 Jd2 ^{en fonction du vecteur T} (001).

rendre compte quantitativement ^{des résultats}

obtenus, ^le problème ^{de la} détermination expéri-

540

mentale des intensités étant d’ailleurs compliqué

par la déformation quadratique.

L’étude de la région ^{11°-17° en 20 à des} tempé-

ratures comprises ^{entre celles de l’hélium} liquide ^et

de l’azote liquide ^{révèle en outre des} particularités

intéressantes 5).

L’intensité de la raie magnétique ^« de structure » 111 (indexée ^{dans une maille} pseudocubique) ^dé-

FiG. 5.

Étude des raies 111 et 20~ (- 2) ^{en fonction de la} température (système pseulocubique).

croit avec la température de la manière classique

et s’annule à la température ^{de Curie Te = 84 °K} (fige 6).

-

200 (0)) puisqu’elle ^ne s’annule pas à 42 °K et

parait ^subsister jusqu’à ^{84 OK.}

Fie. 6.

Intensité de la raie 111 FIG. 7.

Intensité du satellite 200 (- 2)

en fonction de la température. ^en fonction de la température.

Par contre l’intensité du satellite 200 (- 2)

devient nulle à 42 7).

1 La petite réflexion 200 semble bien être une raie

magnétique ^« de structure » (et ^{non un satellite}

Qualitativement ^{ces résultats} pourraient s’expli-

quer ^en admettant qu’à partir ^{de 42 IDK seules les} composantes ^{des moments} parallèles ^{à l’axe des}

cônes gardent ^{une structure ordonnée.}

Nous espérons lever le doute au moins sur

quelques ^{unes de ces} hypothèses par l’étude d’un monocristal naturel de chromite fourni par M. le P’ Curien.

REMERCIEMENTS. - Nous remercions M. Herpin

et M. Mériel de l’aide qu’ils ^{nous ont} apportée ^au

cours de ce travail _{par des} discussions fructueuses.

Nous tenons aussi à remercier MM. Renaud et Fourme pour l’étude ^de radiocristallographie que

nous avons faite en collaboration avec eux sur leurs

appareils ^du laboratoire de Chimie Physique ^{de la}

Faculté des Sciences de Paris (Centre d’Orsay).

Discussion

Dr PI C KART.

Je voudrais remarquer que les résultats obtenus _pour FeCr204 par Shirane, ^Cox

et moi-même sont identiques ^{en tout} point ^{à ceux} présentés ^ici (y compris la variation des intensités

avec la température ^{et le} champ appliqué). ^Nous

avons indexé les raies satellites sur la base d’un modèle spiralé ^{de même} direction de propagation

mais _{de pas} différent, afin d’obtenir un meilleur accord entre les intensités. Puisque ^{l’on n’a aucune}

idée sur la valeur théorique ^{du pas et du fait des} complications ^{dues à} la déformation tétragonale,

il faudra vraisemblablement attendre des études

sur un monocristal pour avoir ^une solution à cette difficulté.

Dr BACCHELLA. - Je le pense aussi.

Pr BERTAUT. - Avez-vous une indication quel-

conque ^sur l’état de spin de Fe dans Cr2Feo4 ? ^Un

état de spin ^faible permettrait d’expliquer ^faci-

lement la déformation quadratique par ^un effet Jahn-Teller statique.

Dr BACCHELLA. - Il faudrait déjà ^{connaitre le}

modèle magnétique pour répondre ^{à la} question.

Dr WOLD. - Les cristaux de chromite sont très difficiles à préparer ^ou à obtenir naturels. Quel type

de monocristal de FeCr2o4 pensez-vous utiliser a Dr BACCHELLA. - Un cristal naturel.

BIBLIOGRAPHIE [1] ^LOTGERING (F. K.), Philips ^Res. Rep., 1956, 11, 90.

[2] ^WICKHAM (D. G.) ^et GOODENOUGH (J. B.), Phys. Rev., 1959, 115, ^1156.

[3] ^FRANCOMBE (M. H.), ^J. Phys. ^Chem. Solids, 1957, 3, 37.

[4] ^WOLD (A.) ^et al., ^J. Appl. Physics, 1963, ^34,1085.

[5] ^SHOMATE (C. H.), Industrial Engineering Chemistry, 1944, 36, ^910.

[6] ^HASTINGS (J. M.) ^{et CORLISS} (L. D.), Phys. Rev,,, 1962,

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