Manipulation of magnetic properties of magnetocaloric materials irradiated with heavy ions
Manipulation des propriétés magnétiques de matériaux à effet magnétocalorique géant par impact d’ions lourds
Résumé
This work aims to study the effects of slow heavy ions on giant magnetocaloric materials. These materials present a first order phase transition coupled
to a strong variation of entropy (S) potentially exploitable for the development of system of effective magnetic refrigeration. On the other hand, the thermal hysteresis and the small temperature range where S is high, associated to the first order phase transition, restrict the use of these materials. In this work, we used specific effects of the heavy ions interacting with solids to modify their properties: the slow
ions induce disorder and point-like defects into materials. In manganese arsenide thin films, presenting a magneto-structural transition, we demonstrated that this new defects act like nucleation centers which make easier the phase change during the transition. This action has enabled to suppress the thermal hysteresis for the first time and in a stable way in time. By varying the mass and the kinetic energyof the ions, we were able to highlight the fundamental role of the density of elastic collisions generated by these irradiations and to rule out the contribution of the
implanted ions. In iron-rhodium thin films, another giant magnetocaloric material with a metamagnetic phase transition were also studied. In this case, the thermal hysteresis is not suppressed but rather enlarged by the impact of ions which indicate that the phase structural change play an important role in the process of reduction of thermal hysteresis. Furthermore our investigations demonstrate that by controlling irradiation conditions, in particular the number of incident ions, the temperature of phase transition could be modulated. This effect is a new method to spatially tune, on the same sample, the temperature of phase transition where the magnetocaloric effect is maximal. This method would allow to overcome the narrow range of useful temperature of this type of materials, another parameter criticizes for applications in magnetic refrigeration.
Ce travail de thèse est dédié à l’étude des effets induits, sur des matériaux à effet magnétocalorique géant, par impact d’ions lourds. Ces matériaux présentent une transition de phase de premier ordre liée à une forte variation d’entropie (S) potentiellement exploitable pour le développement de système de réfrigération magnétique efficace. En contrepartie, la présence d’une hystérésis thermique et la faible gamme de température où S est grand (caractéristiques intrinsèques à une transition de phase de premier ordre), limitent l’utilisation de ces matériaux. Dans ce travail, nous avons exploité les effets spécifiques des ions lourds interagissant avec des solides pour modifier ces caractéristiques : à basse vitesse, ces ions pénètrent peu dans le matériau, engendrent du désordre et créent des défauts ponctuels. Dans les couches minces d’arséniure de manganèse, possédant une transition de phase
magnéto-structurale, nous avons montré que ces nouveaux défauts agissent comme des centres de nucléation en facilitant le passage d’une phase à l’autre durant la transition. L’hystérésis thermique a ainsi pu être supprimée pour la première fois, et de façon stable dans le temps. En faisant varier la masse et l’énergie cinétique des ions, nous avons pu dégager le rôle fondamental de la densité de collisions élastiques induites par ces irradiations et écarter la contribution des ions implantés. Des couches minces de FeRh, un autre matériau à effet magnétocalorique géant présentant une transition de phase de type métamagnétique, ont également été étudiées. Dans ce cas, l’hystérésis n’est pas supprimée mais plutôt élargie par l’irradiation, ce qui souligne l’importance de la présence d’un changement de phase structurale dans le processus de suppression d’hystérésis. Par contre, dans ces couches minces,
nos investigations révèlent un déplacement de la température de transition de phase que l’on peut faire varier de façon contrôlée en fonction du nombre d’ions par cm2 impactant l’échantillon. Cet effet constitue une nouvelle méthode pour moduler spatialement, sur un même échantillon, la température à laquelle l’effet magnétocalorique est maximal. Cela permet de s’affranchir de l’étroite gamme de température utile de ce type de matériaux, autre paramètre critique pour des applications en réfrigération magnétique.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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