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Synthesis, structural and magneto-electric properties of compounds belonging to the pyroxene family

Synthèse et étude structurale et magnétoélectrique de composés multiferroïques de la famille des pyroxènes

Résumé : Comprendre les relations entre structures et propriétés des oxydes de métaux de transition complexes a été un objectif de longue date. Les multiferroïques de type II, pour lesquels un ordre magnétique à longue distance et la polarisation électrique apparaissent simultanément, ont attiré un intérêt considérable à la fois du point de vue fondamental et technologique. Cette thèse traite de la synthèse, et de l'étude des structures cristallines et magnétiques et des propriétés de magnéto-électriques d'un système magnétique non trivial: la famille des composés pyroxène M2M1T2O6 (M2 = métal mono- ou bivalent, M1 = métal de transition di- ou trivalent, T = Si ou Ge). L'objectif de cette thèse réside dans l'étude de leurs propriétés magnétiques et multiferroïques sur la base de la compréhension de leurs structures. Cinq systèmes ont été étudiés et sont présentés, visant à comprendre comment la variation des structures affecte les propriétés magnétiques et magnéto-électriques qui en découlent.Nous avons synthétisé le pyroxène Cu0.8Mg1.2Si2O6 qui cristallise avec la structure de type bas-clinopyroxene, avec Cu2 + localisé sur le site de M2 en raison de sa nature Jahn-Teller. Cela rend Cu0.8Mg1.2Si2O6 paramagnétique à toutes températures en raison de l'arrangement isolé des cations magnétiques.Les propriétés de CaMnGe2O6, ont été réétudiées par mesures de susceptibilité magnétique, chaleur spécifique et diffraction de neutrons. Des corrélations de spins unidimensionnelles à courte portée ont été attestées par l'ajustement par un modèle phénoménologique de mesures de diffusion diffuse magnétique de neutrons. L'effet magnéto-électrique linéaire et la ferrotoroïdicité concomitante autorisés par la symétrie magnétique, ont été mis en évidence expérimentalement et théoriquement. Le composé CaMnSi2O6 a été synthétisé à haute pression et à haute température et étudié pour évaluer l'effet de la modification de taille sur le site T sur les propriétés magnétiques du système. Il apparaît que CaMnSi2O6 présente des propriétés magnétiques très similaires à celles de son homologue Ge: la symétrie magnétique et les propriétés magnéto-électriques sont conservées.Pour étudier l'effet de la substitution sur le site M1 occupé par des cations 3d magnétiques, nous avons étudié le diagramme de phase magnétique de la solution solide CaCo1-xMnxGe2O6, pour laquelle les deux membres extrêmes présentent des états fondamentaux magnétiques différent. Sauf pour le cas x = 0, tous les composés présentent deux transitions de phase magnétiques, celle a T la plus élevée correspondant à un ordre magnétique à courte portée et celle à T la plus basse à un ordre AFM. Jusqu'à x = 0,75 (riche en Co), l'ordre AFM à basses T correspond à celui du composé x = 0, la transition à T plus élevées état désordonné de spins gelés. Pour les valeurs de x plus élevées, de l'état fondamental correspond à l'ordre AFM du composé x = 1 (pur Mn). L'ordre magnétique à courte portée observé à des températures élevées est attribué à des corrélations de spin unidimensionnelles induites par la frustration.En outre, une nouvelle famille de pyroxènes à base de Sr, SrMGe2O6 (M = Mn, Co) a été synthétisée et étudiée, rendant accessible l'étude des relations magnéto-structurales liées à la substitution de cations sur le site M2. Nos mesures magnétoélectriques et les données de NPD indiquent que SrMnGe2O6 est un multiferroïque de type II avec un ordre magnétique caractérisé par une configuration de spins cycloïdale, tandis que SrCoGe2O6 devrait présenter un effet magnétoélectrique bilinéaire, comme autorisé par sa symétrie magnétique C2'/c'. La comparaison entre les pyroxènes à base de Sr et de Ca a été effectuée d'un point de vue structural, et les paramètres structuraux pertinents pour les états fondamentaux magnétiques ont été également étudiés.