Oxydes ferromagnétiques Fe3O4 et NiFe2O4

Les ferrites AFe2O4 (dont A un métal de transition) à structure spinelle occupent une place importante en tant que matériaux fonctionnels dans les technologies électromagnétiques, ceci est dû à leur caractère à la fois isolant et magnétique à température ambiante. Par contre, il a été observé que ces propriétés des ferrites massifs peuvent changer considérablement lorsqu'ils sont déposés en couches minces.

Il existe des études des couches minces de différents spinelles. Fe3O4, l'unique conducteur dans la famille des ferrites, est sans doute le ferrite le plus intensivement étudié sous forme de couche mince, car il a été prédit qu'il était un demi-métal. Dans les oxydes complexes, les interactions magnétiques sont du caractère indirect via un ion oxygène. C'est pour cette raison que les propriétés structurales et magnétiques sont fortement couplées, et que l'on peut obtenir une grande variété de propriétés magnétiques. L'essentiel des études menées se concentrent sur cette interaction entre la structure et l'aimantation de la couche mince.

Les ferrites, à l'exception de Fe3O4, sont peu étudiés par la spectroscopie de photoémission. L'interprétation de la structure électronique de ces systèmes est toujours relativement mal comprise. Toutes les mesures publiées ont été faites avec les photons de basses énergies (40-80 eV)). Ces résultats sont fortement influencés par les états de surface qui dépendent de la surface cristallographique et aussi de la préparation de la surface. Dans le volume, Fe3O4 montre le comportement demi-métallique avec le gap de 1.5 eV pour les électrons majoritaires et une polarisation de 100% au niveau de Fermi due aux états minoritaires t2g. Les mesures en photoémission résolues en spin donnent une polarisation de 80 % au niveau de Fermi au lieu de 100% ce qui a été expliqué par les effets spin-flip provoqués par la reconstruction de la surface.

Ces problèmes peuvent êtres contournés par l'utilisation de photons dans le domaine d'X mous ou à très basses énergies (quelques eV) ce qui donne un libre parcours plus important pour les électrons et par conséquent une plus grande sensibilité aux propriétés de volume. Si l'on augmente l'énergie cinétique de 50 à 1000 eV, le libre parcours moyen peut être approximativement triplé. De même à très basses énergies d'excitation (laser) on pourra mesurer les états électroniques du volume.

En ce qui concerne le dichroïsme circulaire magnétique, le modèle localisé garantit une bonne description du moment magnétique orbital dans les ferrites . Des mesures XMCD sur une série de spinelles (contenant Co, Ni, Zn et Mg) montrent une grande variété d'occupation de sites par ces atomes ce qui permet de conclure sur des différences de nombre d'octaèdres formé par Fe3+ et de tetrahèdres Fe2+. Les calculs faits dans le cadre de l'approximation du champ cristallin incluant des multiplets ont apporté la preuve que l'inversion de la structure spinelle est incomplète dans toute cette série de spinelles analysés.

Nous avons réalisé des mesures en XMCD en en photoémssion résonante sur Fe3O4 et sur une série de NiFe2O4. Les échantillons sont élaborés et caractérisés à LNMH ONERA, Toulouse (J.F Bobo, U. Lüders). Les expériences en photoémission et en XMCD ont été faites à ALS, Berkeley, Etats Unis (collaboration avec groupe de Prof. C.F. Fadley), à MAX-lab, Suède et à ELETTRA, Italie (collaboration avec CNR ISM, Rome, P. De Padova et avec Jean-Michel Mariot, LCPMR, PARIS-6).

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