Elaboration et caractérisation de nanostructures de
FeRh structure, ordre chimique et transition magnétique

Diagramme de phase structural et magnétique de l’alliage FeRh

Le système fer-rhodium forme des alliages dans toute la gamme de composition. Le diagramme de phase reproduit sur la figure 1.1 montre l’existence de plusieurs phases structurales et magnétiques que nous allons détailler ci-dessous. Comme indiqué précédemment, la transition de phase AFM-FM se situe dans une petite gamme de composition autour de la composition équiatomique (voir région agrandie dans la figure 1.1). Quatre phases structurales sont identifiées dans le diagramme de phase, à savoir les phases notées α, α’, α’’, γ (L correspond au liquide). Nous verrons cependant que les phases α’ et α’’ ne diffèrent que par leur état magnétique. Nous commencerons par décrire les différentes phases magnétiques.

Les phases magnétiques

Trois phases magnétiques différentes sont réunies dans le diagramme de phase FeRh : une phase ferromagnétique, une phase paramagnétique et une phase antiferromagnétique (correspondant à la phase notée α‘’).  Phase ferromagnétique : Rappelons qu’un corps ferromagnétique (FM) se caractérise par un alignement magnétique permanent de ses moments qui s’orientent parallèlement les uns aux autres par une interaction mutuelle appelée couplage ferromagnétique (intégrale d’échange J>0). Les matériaux ferromagnétiques présentent donc une aimantation spontanée M en l’absence de champ magnétique externe H. Ils possèdent une température de Curie TC au-dessus de laquelle ils deviennent paramagnétiques (l’aimantation spontanée disparaît à cause de l’agitation thermique). En dessous de cette température, les interactions dominent l’agitation thermique et une aimantation spontanée apparaît en l’absence de champ appliqué, aimantation qui atteint sa valeur maximale à température nulle et correspondant au parallélisme de tous les moments individuels. Malgré l’existence d’une aimantation spontanée en dessous de TC, un échantillon de matériau ferromagnétique n’est pas toujours spontanément aimanté : si son moment magnétique est nul, on dit alors que le matériau est désaimanté. Ceci résulte du fait que l’intérieur du matériau est divisé en domaines magnétiques, appelés domaines de Weiss : chaque domaine, qui comporte un grand nombre d’atomes, est spontanément aimanté. La direction des moments magnétiques, c’est-à-dire de l’aimantation spontanée locale, varie aléatoirement d’un domaine à l’autre de sorte que le moment magnétique total de l’échantillon est nul. Cependant en appliquant un champ, on modifie la répartition des domaines et il en résulte la variation de l’aimantation (courbe de première aimantation) ; ainsi, au niveau macroscopique, un ferromagnétique est une substance qui acquiert généralement une forte aimantation sous l’action d’un champ. La courbe notée TC sur la figure 1.1 trace l’évolution de la température de Curie des alliages Fe1-xRhx ferromagnétiques avec leur composition. Clairement, la température de Curie diminue avec la teneur en rhodium, la température la plus haute correspondant à celle du fer pur (770°C). La température de Curie pour l’alliage de composition équiatomique dans la phase ferromagnétique est d’environ 367°C. Les alliages Fe1-xRhx sont donc ferromagnétiques dans la gamme de composition couverte par les phases structurales α et α’, et pour une température inférieure à T .

Les phases structurales

 Les phases structurales de l’alliage Fe1-xRhx (phases α, α’, γ) appartiennent toutes au système cubique, avec différents réseaux de Bravais : le réseau primitif (noté P), le réseau centré (noté I) et le réseau à faces centrées (noté F). Le réseau primitif possède ici les mêmes sites que le réseau centré, et n’est primitif que parce qu’un type d’atome occupe le site (0,0,0) du réseau cubique centré tandis que l’autre type occupe le site (½ ,½,½) . Cette structure particulière est une structure dite ordonnée, notée B2 ou également CsCl en référence au composé type de cette structure. Les trois mailles cristallines correspondantes à ces réseaux sont reportées dans la figure 1.2. 

Propriétés magnétiques de l’alliage FeRh

Le système FeRh combine un métal magnétique 3d avec un métal 4d non magnétique. Il a été montré que le magnétisme des métaux peut être amplifié par effet de taille et/ou effet d’alliage. De récents calculs ont prévu l’apparition d’un ordre magnétique lorsque la taille diminue dans des systèmes de matériaux normalement non magnétiques. Ainsi, le magnétisme peut être induit dans le rhodium par effet de taille, comme cela a été montré pour des clusters de Rh (<13 atomes) [23], [24]. Dennler et al. ont étudié les propriétés magnétiques et structurales de petits clusters de CoRh [25]. Ils sont magnétiques et leurs moments sont plus importants que dans le matériau à l’état massif. Les moments magnétiques des atomes de Co semblent être indépendants de la concentration en Rh dans le cluster. En revanche, la présence de ces atomes de Co dans le cluster augmente le moment magnétique local des atomes de Rh. Le magnétisme peut également être induit dans un élément non magnétique par effet d’alliage ou de voisinage avec un métal magnétique. En effet, en introduisant des impuretés magnétiques 3d, même en faible concentration dans un métal de transition 4d, le moment magnétique du matériau peut être amplifié, comme c’est le cas dans l’alliage CoRh étudié par Dennler et al. [26]. Ce même effet a été retrouvé dans des monocouches de rhodium ou ruthénium sur du cobalt où une polarisation induite a été mesurée [27]. Ce magnétisme est bien dû au substrat et non à l’état de monocouche car sur un substrat non magnétique aucune polarisation n’a été mesurée dans Rh et Ru, alors qu’elle était pourtant prévue de façon théorique [28], [29]. Le caractère bimétallique des particules de CoRh a été démontré par des études à la fois magnétique et structurale qui révèlent une forte influence de la réduction de taille [30]. Ainsi, la réduction de la taille associée à la combinaison avec un composant ferromagnétique 3d permet d’augmenter la polarisation des spins des atomes de Rh et préserve le magnétisme des atomes de Co.

Comportement sous l’action d’un champ magnétique

 Lorsqu’un matériau ferromagnétique est soumis à un champ magnétique extérieur, son aimantation n’a pas un comportement réversible avec le champ. L’état magnétique d’une couche ferromagnétique dépend de sa nature chimique, de sa structure cristallographique, de sa géométrie, du champ magnétique extérieur, des contraintes épitaxiales… Après une première aimantation à saturation, le cycle d’hystérésis M=f(H) (où H est le champ appliqué et M l’aimantation) se caractérise par :  Sa valeur à saturation : à ce point, l’aimantation atteint sa valeur maximale et M=Ms  Sa demi largeur ou coercitivité : à ce point, M=0 pour H=±HC avec HC le champ coercitif d’aimantation.  Sa demi hauteur ou rémanence : au point H=0, M=MR avec MR l’aimantation rémanente.  Sa surface  Sa forme Le rapport MR/Ms permet de différencier les directions dites de facile et difficile aimantation due aux anisotropies magnétiques. Dans le cas d’une direction facile (cas où le cycle tend à être parfaitement carré), le rapport MR/Ms tend vers 1. Pour une direction difficile, HC et le rapport MR/Ms tendent vers 0 (figure 1.5).