The RFe2O4-type ferrites with mixed valence
Les ferrites du type RFe2O4 à valence mixte
Résumé
LuFe2O4 belongs to the rare-earth ferrite family RFe2O4 (R=Dy to Lu, Y), whose structure can be described as a stacking along c of [LuO2]∞ and [Fe2O4]∞ compact layers. This compound is attracting a lot of attention nowadays because of its multiferroic properties, linked to an antiferromagnetic spin ordering below Tn=250K and a ferroelectric state, based on a polar charge ordering of Fe2+ and Fe3+ species on a triangular lattice. In this work, two samples have been thoroughly investigated, combining synchrotron X-ray, neutron and electron diffraction techniques with magnetization, transport and dielectric constant measurements, as well as Mossbauer spectroscopy. Two main points have been evidenced: a slight monoclinic distortion of the room temperature crystal structure (SG C2/m), and a new structural modulation, dependent of the oxygen stoichiometry. The magnetic ground state of LuFe2O4 at low temperature is particularly complex, with several ferrimagnetic and antiferromagnetic magnetic phases co-existing. High pressure X-ray and neutron diffraction experiments have shown that LuFe2O4 undergoes an irreversible phase transition above 8GPa at room temperature, which could be linked with a new type of charge ordering. Below TN, increasing pressure up to the experimental limit of 3GPa leads to a decrease of the intensity of the magnetic scattering signal.
LuFe2O4 appartient à la famille des ferrites RFe2O4 (R=Dy-Lu,Y) dont la structure peut être décrite comme un empilement selon c de couches compactes de [LuO2]∞ et [Fe2O4]∞. Ce composé fait l’objet de nombreux travaux depuis quelques années du fait de ses propriétés multiferroïques liées à de l’antiferromagnétisme en dessous de TN = 250K et de la ferroélectricité en dessous de 320K qui serait due à une mise en ordre polaire des charges Fe2+ et Fe3+ sur un réseau triangulaire. Lors de cette thèse, deux échantillons ont été tout particulièrement caractérisés en combinant la diffraction des rayons X au synchrotron, des neutrons et des électrons, avec des mesures des propriétés magnétiques, de transport et de constante diélectrique, et de la spectroscopie Mössbauer. L’étude de la structure à température ambiante a mis en évidence deux points importants : une légère déformation onoclinique de la maille qui est alors indexée en C2/m et un nouveau vecteur de modulation pour un seul des échantillons et qui a été attribué à une non-stœchiométrie en oxygène. Le omportement magnétique de LuFe2O4 s’est révélé particulièrement complexe, avec la coexistence de quatre phases magnétiques ordonnées, ferrimagnétiques ou antiferromagnétiques. Des mesures par diffraction des rayons X et des neutrons sous pression ont permis de mettre en évidence, de façon reproductible, une transition structurale irréversible à température ambiante, qui pourrait présenter une nouvelle mise en ordre des charges. En dessous de TN, l’amplitude du signal magnétique diminue avec la pression, dans la limite des 3GPa expérimentaux.
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