Investigation of magnetic properties in CoFe2O4 nanostructures and magnetocaloric effect in antiperovskite materials type Mn3AC (A=Ga, Al): experimental and simulations

Abstract

Durant ces dernières décennies, notre planète connait des enjeux environnementaux majeurs liés au réchauffement climatique. Pour faire face à ces problèmes, les enjeux écologiques et énergétiques sont actuellement et dans les années à venir des sujets de recherche majeurs. De plus, la rareté des sources d'énergie constitue une source supplémentaire de motivation pour une source alternative. D’où le besoin de chercher de nouvelles familles de matériaux tels que les matériaux antiperovskite et les nanostructures de CoFe2O4. Le présent travail de cette thèse sera divisé en quatre chapitres. Ainsi, nous proposons ci-dessous les résumés des chapitres constituant cette thèse. Dans le premier chapitre, nous avons fait une étude bibliographique sur les concepts de base du magnétisme incluant une classification sur les types de magnétisme connus. En même temps, dans cette étude on a vérifié l’effet du magnétisme pour les nanomatériaux, vu le besoin dans notre thèse. Sans oublier, une recherche approfondie sur les matériaux utilisées dans notre travail (i.e. les matériaux antiperovskite et les spinelles ferrites CoFe2O4). Dans le deuxième chapitre, nous avons présenté les outils et les méthodes utilisées dans la préparation de cette thèse. Nous avons tout d’abord donner les bases et l’historique de la théorie fonctionnelle de la densité et de la simulation Monte Carlo. Ces deux méthodes ont été utilisés pour effectuer l’étude des propriétes structurales, électroniques, magnétiques et magnétocaloriques des matériaux antiperovskite. Par la suite on a discuté les méthodes expérimentales de synthèse et de caractérisation utilisés lors de la synthèse des nanostructures de CoFe2O4. Le troisième chapitre de cette thèse porte sur l'étude des propriétés structurales, électroniques, magnétiques et magnétocaloriques des matériaux antiperovskite de type Mn3AC (A = Al, Ga) en utilisant des méthodes théoriques consistant en un mélange entre la théorie fonctionnelle de la densité et la simulation de Monte Carlo. Pour le composé Mn3GaC, constitué de deux transitions magnétiques (une première d’un état antiferromagnétique en un état ferromagnétique et une seconde transition de l’état ferromagnétique en paramagnétique), on s’est focalisé sur l’étude la transition du second ordre. Un MCE significatif sans perte d'hystérésis est observé autour de Tc. Les valeurs maximales du changement d'entropie magnétique (ΔSmag), du changement de température adiabatique (ΔTad) et de la puissance de refroidissement relative (RCP) sont respectivement de 5,65 J / Kg. K, 13,81 K, 351,90 J / kg, sous un champ magnétique externe appliqué de H = 4.5 T. D’autre part, l'antiperovskite Mn3AlC subit également une transition du second ordre avec une température de Curie autour de Tc = 287K, une grande largeur à mi-hauteur de sa courbe -ΔSm (T), une absence de perte d'hystérésis et des matières premières respectueuses des coûts et de l'environnement. Les valeurs maximales de ΔSmag, ΔTad et RCP sont respectivement de 6,40 J / Kg. K, 13,60 K et 416,96 J / Kg. Pour cette raison, ce critère et le faible coût de ces matériaux peuvent suggérer que Mn3GaC et Mn3AlC peuvent être de bons candidats pour des applications de réfrigération magnétique autour de la température de Curie Pour le quatrième chapitre, il sera consacré à la synthèse de nanostructures CoFe2O4 comprenant des nanorods et des couches d'oxyde nanoporeux. Les deux nanostructures ont été caractérisées par microscopie électronique à balayage (MEB), spectroscopie aux rayons X (EDS) et diffraction des rayons X (XRD). Les nanorods de ferrite de cobalt alignés verticalement CoFe2O4 (CFO) ont été synthétisés en suivant 5 processus, comme cela sera décrit en détail dans la thèse : Dans la première étape, des plaquettes de Si commerciales ont été utilisées comme substrats. Tandis qu'une couche d'or conductrice a été déposée par-dessus le substrat de silicium pour agir comme une électrode avec une conductivité élevée pour l'électrodéposition de CoFe2 nanorods. En plus de cela, une pulvérisation (sputtering) d'une couche épaisse a été réalisée au-dessus de l'électrode en or à l'aide d'une inter-couche adhésive Ti. Pour la 2ème étape, une technique d'anodisation électrochimique a été utilisée pour oxyder la couche d'Al en un gabarit (template) d'oxyde d'aluminium anodisé (AAO), ce processus a conduit à l'auto-organisation des pores. Dans la 3ème étape, une technique d'électrodéposition potentiostatique a été utilisée pour remplir le template poreux AAO avec les nanorods métalliques de CoFe2. Suite à cela, la 4ème étape consiste à supprimer le template AAO en utilisant une dissolution chimique. Ce dernier processus nous a conduit à obtenir une matrice de nanorods CoFe2 autonome. Enfin, dans la cinquième étape un recuit chimique a été utilisé pour transformer les de nanorods CoFe2 en nanorods CoFe2O4 isolants. En un premier lieu, une méthode d'anodisation électrochimique a été utilisée pour synthétiser une couche d'oxyde nanoporeux CoFe2O4 auto-ordonné. Grâce à l'anodisation de la feuille d'alliage source FeCoV, sous des conditions d'électrolytes et d'anodisations bien déterminées, une structure nanoporeuse ordonnée CoFe2O4 a été obtenu, et qui pourrait bien avoir un potentiel important sur de nombreuses applications magnétiques. La méthode de microscopie à balayage électronique (SEM) a montré que la taille des nanopores restait constante dans une gamme de 15 nm indépendant du potentiel d'anodisation. La spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) et les mesures de diffraction des rayons X (XRD) confirment la transformation de la couche nanoporeuse anodisé en une couche d'oxyde nanoporeux en phase avec CoFe2O4. De plus, en utilisant la magnétométrie à échantillon vibrant (VSM), les propriétés magnétiques de la couche d'oxyde nanoporeux CoFe2O4 a été étudiée en fonction de la direction du champ magnétique externe et de l’épaisseur de la couche d'oxyde nanoporeux.