Etudes des propriétés magnétiques et magnétocaloriques des matériaux Anti-pérovskites Mn3XY (X= In, Ge, Sn ; Y=C, N) : Calcul ab-initio et Simulation Monte Carlo

Abstract

Les trois matériaux étudiés dans cette thèse appartiennent à la famille des anti-pérovskites à base de manganèse Mn . Il s’agit plus précisément de Mn3InC, Mn3GeC et Mn3SnN. Ces matériaux ont une structure cristalline anti-pérovskite, c’est-à-dire une structure cubique à faces centrées où les atomes de manganèse Mn occupent les positions du sommet tandis que les atomes d’indium/germanium/étain et carbone/azote occupent les positions des faces et du centre respectivement. La thèse vise à caractériser les pro- priétés électroniques de ces trois composés à l’aide de calculs de structure de bandes électroniques. Celles-ci dépendent fortement de la nature des éléments substitués dans la structure. Les propriétés magnétiques de ces matériaux sont également étudiées, notamment à l’aide de mesures d’aimantation M en fonction de la température T et du champ magnétique appliqué h. On cherche à déterminer leur température de Curie Tc ainsi que leur aimantation à saturation M. Enfin, la thèse évalue le potentiel de ces trois anti-pérovskites à base de manganèse Mn pour des applications en réfrigéra- tion magnétique. Des mesures de l’effet magnétocalorique sont menées pour quantifier les variations d’entropie maximale (∆Sm) et de température associées aux transitions de phase magnétiques Tc . L’objectif est de déterminer lequel de ces trois matériaux présente les meilleures performances magnétocaloriques, c’est-à-dire les plus grandes variations d’entropie maximale (∆Sm) et de température, déterminantes pour leur ef- ficacité en réfrigération magnétique. Des simulations théoriques basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et les simulations de type Monte Carlo (MCs) ont été effectuées pour les composés Mn3InC et Mn3GeC. Ces méthodes révèlent un comportement métallique pour ces matériaux, indiquant une bonne conductivité électrique. De plus, des moments magnétiques importants ont été mis en évidence au niveau des atomes de manganèse, démontrant le caractère ferromagnétique des phases viii à basse température. Pour Mn3InC, les simulations ab initio (DFT) ont révélé un moment magnétique partiel significatif de 2, 48µB, principalement concentré sur les atomes de manganèse. Cette observation suggère un comportement ferromagnétique à des températures basses. Une analyse approfondie des densités d’états électroniques a mis en évidence une transition magnétique notable, avec une température critique mesurée à Tc = 270K. Les calculs de Monte Carlo pour les propriétés magnétocalo- riques ont prédit une variation maximale d’entropie magnétique (∆Sm) de 9.33J/kg.K et une puissance de réfrigération relative (RCP) atteignant 655J/kg autour de la tem- pérature Curie Tc . Ces résultats offrent des perspectives prometteuses, bien que leur confirmation expérimentale soit encore nécessaire. En ce qui concerne Mn3GeC, les simulations ab initio (DFT) ont montré un moment magnétique partiel plus faible, mesurant 1, 03µB, accompagné d’une température de Curie légèrement plus élevée, établie à Tc = 335K. Les calculs de Monte Carlo pour les propriétés magnétocaloriques ont estimé une variation d’entropie magnétique maximale ((∆Sm)) de 10.93J/kg.K et une puissance de réfrigération relative (RCP) de 703.53J/kg dans la région de transition magnétique. Ces résultats suggèrent que Mn3GeC pourrait être un candidat promet- teur pour des applications dans le domaine magnétocalorique autour de Tc = 335K. Cependant, leur validation expérimentale reste cruciale pour confirmer leur potentiel pratique. Dans l’ensemble, ces études offrent un aperçu fascinant des propriétés magné- tiques de Mn3InC et Mn3GeC, avec des implications potentielles dans divers domaines d’application. L’étude s’est ensuite concentrée sur le matériau Mn3SnN. Été approfondie par le biais de caractérisations structurales, magnétiques, électroniques et magnétocaloriques. Mn3SnN cristallise dans une structure cubique de type Anti-perovskites. Les mesures magnétiques ont permis de déterminer un moment magnétique total de 8, 33678µB. Une transition ferromagnétique-paramagnétique est observée à une température de Curie Tc = 480K. Les propriétés de transport révèlent un comportement métallique. Des mesures de coefficient Seebeck et de conductivité électrique entre 300K et 600K ont donné un facteur de puissance maximal de 2.92 × 1010Wm−1K−2s−1 à 600K, dé- montrant un fort potentiel thermoélectrique. Les mesures magnétocaloriques se sont concentrées sur la détermination des variations d’entropie magnétique maximale (∆Sm) et du puissance de réfrigération relative (RCP) autour de Tc. Des calculs théoriques prévoient une ∆Sm = 19, 382J/kg.K et un RCP= 203, 466J/kg, restant à être validés expérimentalement. Ces résultats mettent en évidence les propriétés remarquables de Mn3SnN, à la fois pour des applications en réfrigération magnétique grâce à son effet ix magnétocalorique important, mais aussi pour la thermoélectricité du fait de son fort facteur de puissance. Mn3SnN apparaît donc comme un candidat prometteur pour ces deux domaines. En conclusion, cette thèse a étudié théoriquement le potentiel de trois anti-pérovskites à base de manganèse (Mn) pour la réfrigération magnétique. Les calculs prédisent que ces matériaux présentent d’importantes variations d’entropie aux transitions de phase magnétiques, propriété exploitée en réfrigération magnétique. Cependant, ces résultats théoriques restent à valider expérimentalement. Des mesures de l’effet ma- gnétocalorique sont nécessaires pour quantifier précisément les variations d’entropie et de température associées aux transitions dans ces trois matériaux. L’objectif est de dé- terminer lequel présente les meilleures performances magnétocaloriques, c’est-à-dire la plus grande capacité de réfrigération, afin de confirmer leur potentiel prometteur pour des applications en réfrigération magnétique à température ambiante, tel que prédit par la théorie. La validation expérimentale des propriétés magnétocaloriques de ces systèmes reste donc une étape clé pour conclure sur leur pertinence pour ce domaine technologique.