Propriétés optiques et magnétiques de matériaux multiferroïques : gaFeO3 et LuFe2O4., Optical and magnetic study on iron based multiferroics

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Sous la direction de Jean-Claude Soret, Paolo Calvani
Thèse soutenue le 17 décembre 2010: Università degli studi La Sapienza (Rome), Tours
Nous présentons une contribution à l’étude des propriétés structurales, électroniques et magnétiques de composés multiferroïques – c’est à dire de matériaux dans lesquels coexistent ordre magnétique et ordre ferroélectrique ; les deux aspects étant couplés via des interactions et mécanismes microscopiques qui ne sont pas encore compris. C’est dans ce contexte que nous avons étudié les deux composés GaFeO₃ et LuFe₂O₄. L’étude a nécessité l’utilisation de plusieurs techniques expérimentales : les mesures magnétiques locales par résonance paramagnétique électronique (RPE) et macroscopiques par magnétométrie , et la spectroscopie infrarouge (IR). Du point de vue du magnétisme de GaFeO₃, les mesures locales et macroscopiques révèlent un comportement inusuel sur un large intervalle de température au-dessus de la température d’ordre, que nous attribuons à l’existence de corrélations magnétiques de courte portée dans la phase paramagnétique. D’autre part,l’analyse des spectres de phonon IR en fonction de la température montre que la mise en ordre des moments magnétiques n’affecte pas les propriétés structurales de GaFeO₃. Le cas de LuFe₂O₄ est très différent puisque les degrés de liberté magnétiques semblent couplés aux propriétés structurales au travers de l’ordre de charge des ions Fe³+/Fe²+ comme le suggèrent les mesures RPE et de spectroscopie IR dans le domaine sub-terahertz.
-Composés multiferroïques
-GaFeO3
-LuFe2O4
We present a contribution to the study of structural, electronic and magnetic propertiesof multiferroic compounds. These materials – characterized by the coexistence and coupling of different types of long-range orders, such as magnetic and ferroelectic – have recently become a subject of great importance because of their academic interest and their significance for potential applications. In this context we have studied the two compounds GaFeO₃ and LuFe₂O₄. The study involved the use of several techniques : electronic spin resonance (ESR), magnetic measurements by magnetometry and infrared spectroscopy (IR).Local and macroscopic magnetic measurements reveal an anomalous paramagnetic phase in GaFeO3. This is attributed to the existence of short-range magnetic correlations in a wide temperature range above the ordering temperature. On the other hand, the analysis of IR phonon spectra recorded at different temperatures (10 ≤ T ≤ 1000 K) shows that the ordering of magnetic moments does not affect the structural properties of GaFeO₃ For LuFe₂O₄, conversely, the magnetic degrees of freedom are coupled to the structural properties via the charge ordering of Fe³+/Fe²+ ions, as suggested by ESR and IR spectroscopy.
Source: http://www.theses.fr/2010TOUR4017/document

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UNIVERSITÉ
FRANÇOIS RABELAIS
DE TOURS
École Doctorale [SST]
Laboratoire d’Électrodynamique des Matériaux Avancés
THÈSE présentée par :
Francesco M. VITUCCI
soutenance prévue le 17 Décembre 2010
pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université François - Rabelais
Discipline / Spécialité : Physique des Solides
PROPRIÉTÉS OPTIQUES ET MAGNÉTIQUES DE
MATÉRIAUX MULTIFERROÏQUES : GaFeO ET LuFe O3 2 4
THÈSE dirigée par :
CALVANI Paolo Professeur, Université La Sapienza – Rome
SORET Jean-Claude Professeur, Université François-Rabelais – Tours
RAPPORTEURS :
DEGIORGI Leonardo Professeur, ETH – Zurich
LOBO Ricardo Chargé de Recherche HDR, CNRS-ESPCI – Paris
JURY :
BALESTRINO Giuseppe Professeur, Université Tor Vergata – Rome
CALVANI Paolo Professeur, Université La Sapienza – Rome
DE SOUSA MENESES Domingos Maître de Conférence, Université d’Orléans
SORET Jean-Claude Professeur, Université François-Rabelais – ToursRemerciements
The work has been presented here, has involved a large number of people that I really
want to thank for supporting and for the kindness they have shown. First of all I want
to thank Paolo Calvani, my supervisor, for being a great guide and a strong chief, never
forgetting to be a "magister". Beside him, I really want to thank all the staff of the IRS
laboratory in Rome : Stefano Lupi, Alessandro Nucara, Paola Maselli. Everything I know
about being a researcher came from them.
This experience would not have been as pleasant as it was without my collegues of
the IRS group : Daniele Nicoletti, Chiara Mirri, Odeta Limaj, Gihan Kamel and Paola Di
Pietro. The wonderful net of friendships we have created made the IRS lab a warm and
comfortable house. A special thank goes to Matteo Valentini, for everything we shared, for
everything we are going to share.
For the French part, I want to thank Jean-Claude Soret, my co-supervisor from the
LEMA laboratory in Tours, for teaching me as a student, for working with me as a col-
league. I want to thank also Gisele Gruener and Rodolphe Sopracase, which have been nice
colleagues and kind friends. I am gratefully indebted to Francois Gervais, which allowed
me to work in the LEMA Laboratory and to all the members of the lab for their kind and
warm welcome. I am also grateful to the members of the CEMHTI-CNRS Laboratory in
Orleans for the fruitful scientific collaboration.
I want to thank Ullrich Schade for helping us in our hard work in the IRIS beamline
@Bessy II synchrotron in Berlin and for all the nice moments spent in Berlin. A great
thank also goes to Michele Ortolani and all the staff of the IFN which helped opening a
new path for our laboratory.
I also thank infinitely all the new friends that this amazing journey has allowed me to
meet : they made red something which could have rest pale blue.
Ringrazio gli amici di sempre, per esserci stati, per esserci ora, con un po’ di rimpianto
per non aver avuto troppo tempo per dimostrare loro quanto siano radicati in me. Ringrazio
tutta la mia famiglia, per aver sempre creduto in me, per la stima che mi ha sempre
preventivamente donato, una dose di serenità che mi ha permesso di affrontare tante difficili
prove. Ringrazio profondamente i miei genitori : il nostro rapporto in perenne evoluzione
non smette mai di affascinarmi e di guidarmi verso maturità e felicità. Ringrazio Michela :
travagliata è stata la strada del cammino comune, ma ciò che mi risplende dentro è la
meraviglia con cui guardiamo all’orizzonte. Grazie di cuore a tutti.
3REMERCIEMENTS
4Résumé
Nous présentons une contribution à l’étude des propriétés structurale, électronique et
1magnétique de composés multiferroïques – c’est ï¿ dire de matériaux dans lesquels ordre2
mag et ordre ferroélectrique coexistent, les deux aspects étant couplés via des in-
teractions et des mécanisme qui ne sont pas encore bien compris.
C’est dans ce contexte que nous avons étudié les deux composés GaFeO et LuFe O ,3 2 4
synthétisés sous forme de céramiques pour le premier et sous forme de monocristaux pour
le second. L’étude a nécessité l’utilisation de plusieurs techniques : la résonance magné-
tique électronique (RPE), les mesures magnétiques par magnétométrie (susceptibilité AC
et aimantation DC), la spectroscopie infra rouge (IR) dans le domaine de l’IR lointain au
visible et dans le domaine sub-terahertz au synchrotron Bessy-II.
Du point de vue du magnétisme de GaFeO , les mesures par magnétométrie confirment3
un ordre ferrimagnétique à basse température (T ≤ T ≈ 206K) correspondant à 0,77C
magnéton de Borh par atome de fer, et révèlent une phase paramagnétique anormale sur
un large intervalle de températureT <T ≤ 240K. Cette anomalie – également observéesC
par RPE – est attribuée à l’effet de corrélations magnétiques de courte portée. D’autre
part, l’analyse des spectres de phonon IR en fonction de la température (10≤T ≤ 1000K)
montre que la mise en ordre des moments magnétiques n’affecte pas les propriétés struc-
turales de GaFeO .3
Le cas de LuFe O est très différent puisque les degrés de liberté magnétiques semblent2 4
3+ 2+couplés aux propriétés structurales au travers de l’ordre de charge des ions Fe /Fe
comme le suggèrent les mesures RPE et de spectroscopie IR dans le domaine sub-terahertz.
Mots clés : Multiferroics, EPR, Infrared spectroscopy, Magnetism
5RÉSUMÉ
6Abstract
We present a contribution to the study of structural, electronic and magnetic properties
of multiferroic compounds, materials in which magnetic and ferroelectric order coexist,
coupled together via interaction mechanisms that are not yet well understood.
In this context we have studied the two compounds : a ceramics sample of GaFeO ,3
and a single crystal LuFe O . The study involved the use of several techniques : Electronic2 4
paramagnetic resonance (EPR), magnetic measurements by magnetometry (AC suscepti-
bility and DC magnetization), infrared spectroscopy (IR) from the sub-TeraHertz to the
visible range.
From the point of view of magnetism, GaFeO , measurements by magnetometry confirm3
a ferrimagnetic order at low temperature (T≃ 206K≤ T ), which corresponds to a 0.77C B
per Fe ion, and show a paramagnetic phase in an abnormal wide temperature range T <TC
≤ 240 K. This anomaly is also observed by EPR and it has been attributed to a short-range
magnetic correlations. On the other hand, the analysis of the infrared phonon spectra as a
function of temperature (10≤ T≤ 1000 K) shows that the ordering of magnetic moments
does not affect the structural properties of GaFeO3.
For LuFe O , conversely, the magnetic degrees of freedom are coupled to the magnetic2 4
3+ 2+structural properties, through the charge ordering of Fe / Fe ions, as suggested by
EPR and IR spectroscopy.
Keywords : Multiferroics, EPR, Infrared spectroscopy, Magnetism
7ABSTRACT
8Table des matières
Introduction 23
1 General properties of multiferroic and magnetoelectric materials 29
1.1 The magnetoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.2 Multiferroics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.2.1 The problem of incompatibility between ferroelectricity and magnetism 34
1.3 Mechanisms for ferroelectric and magnetic integration . . . . . . . . . . . . 37
1.3.1 Independent systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.3.2 Ferroelectricity induced by lone-pair electrons . . . . . . . . . . . . . 38
1.3.3 Geometric ferroelectricity in hexagonal manganites . . . . . . . . . . 41
1.3.4 Spiral spin-order-induced ferroelectricity . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.3.5 Ferroelectricity in charge-ordered systems . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.3.6 Ferrotoroidic systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
1.4 Potential applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.4.1 Magnetic field sensors using multiferroics . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.4.2 Electric field control of the exchange bias by multiferroics . . . . . . 68
1.4.3 Multiferroic/semiconductor structures as spin filters . . . . . . . . . 69
1.4.4 Logical states in a tunneling junction by use of multiferroics . . . . . 70
1.4.5 Negative refractive-index materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2 The experimental techniques 79
2.1 Reflectivity measurements with FT-IR
Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.1.1 Optical conductivity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
2.1.2 The Drude-Lorentz model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
2.1.3 Fourier-Transform Infrared Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . 87
2.1.4 FT-IR Spectroscopy Experimental apparatus . . . . . . . . . . . . . 87
2.1.5 Terahertz spectroscopy with Coherent Synchrotron Radiation . . . . 95
2.1.6 Reflectivity measurements in electric field . . . . . . . . . . . . . . . 103
9TABLE DES MATIÈRES
2.2 Electron Paramagnetic Resonance
Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.2.1 Bulk magnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.2.2 Interaction of magnetic dipoles with electromagnetic radiation : bases
of EPR spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2.2.3 Interactions between magnetic moments . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.2.4 The EPR experimental apparatus : the spectrometer . . . . . . . . . 112
3 Structural, electronic and ferroic properties of the investigated systems121
3.1 LuFe O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1212 4
3.1.1 Sample characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
3.1.2 Magnetoelectric coupling : Magnetic-field control of the dielectric
properties and of the charge structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.1.3 Magnetoelectric coupling : electric-field control of dielectric and ma-
gnetic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.2 GaFeO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353
3.2.1 Sample characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.2.2 Magnetoelectric coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4 Experimental results and discussion : magnetic and optical properties of
LuFe O and GaFeO 1452 4 3
4.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2 Magnetic measurements and Electron Paramagnetic Resonance. . . . . . . . 146
4.2.1 Magnetic susceptibility and magnetization of GaFeO . . . . . . . . 1463
4.2.2 Electron Paramagnetic Resonance on GaFeO . . . . . . . . . . . . . 1543
4.2.3 Magnetic measurements and EPR on LuFe O . . . . . . . . . . . . 1622 4
4.3 Infrared spectroscopy of GaFeO and LuFe O . . . . . . . . . . . . . . . . 1633 2 4
4.3.1 Reflectivity measurements on GaFeO . . . . . . . . . . . . . . . . . 1633
4.3.2 Rey meats on LuFe O . . . . . . . . . . . . . . . . . 1682 4
4.3.3 Infrared response of LuFe O under an electric field . . . . . . . . . 1732 4
Conclusions 183
Index 187
10

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